Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất (trần trọng minh vũ hoàng phương)

BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP – VIỆN ĐIỆN

Mơ hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ
biến đổi Điện tử công suất
Modeling and Control of Power Electronic Converter
Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương
7/25/2017

Lecture notes on modeling and design of control system for power electronic converter
0


TABLE OF CONTENTS
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 6
1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
VÀ
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNEquation Chapter 1 Section 1 ................................................................... 14

2

1.1

Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất ......................................... 14

1.2

Mạch phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn ................................................... 15

1.2.1

Điều khiển mở cho Tiristor .................................................................................. 15

1.2.2

Điều khiển đóng cắt cho MOSFET ...................................................................... 17

1.2.3

Điều khiển đóng cắt cho IGBT ............................................................................ 19

1.2.4

Mạch driver cho MOSFET và IGBT ................................................................... 21

1.3

Mục tiêu đặt ra trong thiết kế điều khiển các bộ biến đổi ......................................... 23

1.4

Các loại hệ thống điều khiển ..................................................................................... 25

các phương pháp ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM Equation Chapter 2 Section 2 .. 27
2.1

Các dạng sơ đồ điều chế............................................................................................ 27

2.2

Phân tích sóng hài dạng sóng điều chế PWM ........................................................... 29

2.3

Mơ hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang khơng đổi ..................... 32

2.4

Mơ hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang thay đổi ........................ 35

2.5

Điều chế PWM cho các bộ nghịch lưu...................................................................... 36

2.5.1

Điều chế PWM cho nghịch lưu một pha nửa cầu ................................................ 36

2.5.2

Điều chế PWM cho nghịch lưu cầu một pha ....................................................... 38

2.5.2.1 Điều chế hai cực tính .......................................................................... 38
2.5.2.2 Điều chế một cực tính (Phase shift modulation) .................................. 39
2.5.3

Thời gian chết trong chu kỳ điều chế ................................................................... 40

2.5.4

Phương pháp biến điệu độ rộng xung ứng dụng điều khiển số: PWM trích mẫu đều
41

2.6

Điều chế PWM cho nghịch lưu nguồn áp ba pha...................................................... 44

2.6.1

Phương pháp sinPWM ......................................................................................... 44

2.6.2

Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) ................................................ 47

2.6.2.1 Thuật tốn điều chế vector khơng gian ................................................ 47
2.6.2.2 Mô phỏng phương pháp sinPWM và SVM ......................................... 56
3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊNG KÍN CHO CHỈNH LƯU TIRISTOR
Equation Chapter 3 Section 3 ............................................................................................................... 59
3.1

Mạch tạo xung điều khiển các bộ biến đổi Tiristor ................................................... 59

3.1.1

Nguyên lý tạo xung điều khiển cho bộ biến đổi Tiristor ..................................... 59

3.1.2

Mạch tạo xung điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha.................................................. 61
1

3.2
4

Mơ hình hóa và tổng hợp mạch vịng dịng điện cho chỉnh lưu Tiristor ................... 64

MƠ HÌNH HĨA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Chapter 4 Section 4 ............................. 72
4.1

Các phương pháp mơ hình hóa bộ biến đổi bán dẫn cơng suất ................................. 72

4.2

Mơ hình đóng cắt ...................................................................................................... 73

4.2.1

Mơ hình tốn học ................................................................................................. 73

4.2.2

Mơ hình đóng cắt cho các bộ biến đổi DC-DC .................................................... 74

4.3

Mơ hình trung bình cổ điển ....................................................................................... 77

4.3.1

Cơ sở tốn học của mơ hình trung bình ............................................................... 77

4.3.2

Tuyến tính hóa và mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ ............................................. 79

4.3.3

Mơ hình trung bình cho các bộ biến đổi DC-DC có tính tới tổn hao ................... 82

4.3.3.1 Mơ hình trạng thái trung bình cho Bộ biến đổi kiểu boost ................... 83
4.3.3.2 Mơ hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu buck ................................... 85
4.3.3.3 Mơ hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu Buck- boost ........................ 87
4.4

Mô phỏng kiểm chứng các mơ hình .......................................................................... 88

4.4.1

Mơ hình mơ phỏng bộ biến đổi kiểu buck ........................................................... 88

4.4.2

Mơ hình mơ phỏng boost converter ..................................................................... 90

5 PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH PHẦN TỬ VÀ MẠNG ĐÓNG CẮT
Equation Section (Next) ........................................................................................................................ 93
5.1

5.1.1

Sơ đồ tương đương bất biến của phần tử đóng cắt............................................... 93

5.1.2

Mơ hình trung bình phần tử đóng cắt cho Bộ biến đổi kiểu buck ........................ 97

5.2

6

Phương pháp trung bình phần tử đóng cắt ................................................................ 93

Phương pháp trung bình hóa mạng đóng cắt............................................................. 99

5.2.1

Trung bình hóa mạng đóng cắt cho sơ đồ Bộ biến đổi kiểu boost ....................... 99

5.2.2

Trung bình hóa mạch đóng cắt cho Buck, Buck-boost ...................................... 102

5.2.3

Hàm truyền cho bộ biến đổi có tính tới điện trở cuộn cảm rL và điện trở rESR của tụ
103

5.2.4

Hàm truyền có tính tới tổn hao trên van bán dẫn và điơt ................................... 106

5.2.5

Mơ hình trung bình tính tới tổn hao do q trình đóng cắt ................................ 108

MƠ HÌNH TRUNG BÌNH TỔNG QT Equation Section (Next) ............................ 110
6.1

Mơ hình trạng thái trung bình tổng qt và vectơ động .......................................... 110

6.1.1

Khái niệm về phazor động ................................................................................. 110

6.1.2

Phương trình với các biến động tín hiệu nhỏ ..................................................... 112

6.1.3

Liên hệ giữa phazor động và dạng sóng thực .................................................... 113

6.2

Mơ hình trung bình tổng qt ................................................................................. 114

6.3

Mơ hình trung bình tổng quát cho nghịch lưu nguồn áp một pha ........................... 115

6.3.1

Mơ hình nghịch lưu nguồn áp cầu một pha xung chữ nhật ................................ 115

6.3.2

Mơ hình nghịch lưu nguồn áp cầu một pha điều chế PWM............................... 118
2


6.4

7

8
DC/DC

Mơ hình trung bình tổng qt cho nghịch lưu ba pha ............................................. 120

6.4.1

Sơ đồ chỉnh lưu kiểu Boost ba pha .................................................................... 120

6.4.2

Sơ đồ nghịch lưu ba pha nguồn áp ..................................................................... 124

MƠ HÌNH TRUNG BÌNH HẠ BẬC Equation Section (Next) ..................................... 128
7.1

Phương pháp giảm bậc phương trình trạng thái ...................................................... 128

7.2

Mơ hình giảm bậc cho Bộ biến đổi kiểu boost trong chế độ DCM......................... 129

7.3

Mơ hình trung bình giảm bậc của bộ biến đổi DC-AC nối lưới ............................. 131

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Section (Next)
135
8.1

Nhắc lại một số kiến thức về lý thuyết điều khiển tự động ..................................... 135

8.2

Điều khiển trực tiếp đầu ra ...................................................................................... 139

8.2.1

Cơ sở thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp đầu ra ............................................ 139

8.2.2

Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck ............................................. 141

8.2.3

Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost............................................. 145

8.3

Điều khiển gián tiếp đầu ra – cấu trúc hai mạch vòng ............................................ 153

8.3.1

Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck ............................................. 158

8.3.2

Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost............................................. 164

8.4

Điều khiển bằng phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực ....................... 173

8.4.1

Các bước tiến hành thiết kế................................................................................ 173

8.4.2

Mô phỏng kiểm chứng thiết kế .......................................................................... 179

8.5

Triển khai cấu trúc điều khiển DC/DC trong thực tế .............................................. 180

8.5.1

Kỹ thuật điều khiển tương tự ............................................................................. 181

8.5.2

Kỹ thuật điều khiển số ....................................................................................... 181

9 ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC VÀ AC-DC
Equation Section (Next) ...................................................................................................................... 186
9.1

Đặc điểm và yêu cầu điều khiển cho các bộ biến đổi có khâu xoay chiều tần số thấp
186

9.2

Thiết kế điều khiển trên hệ tọa độ quay 0dq ........................................................... 188

9.2.1

Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực .............................................................. 188

9.2.2

Xác định thông số các bộ điều chỉnh PI ............................................................. 191

9.2.3

Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 193

9.2.4

Cấu trúc điều khiển nghịch lưu 3 pha làm việc độc lập ..................................... 199

9.3

Các bộ điều chỉnh cộng hưởng ................................................................................ 206

9.3.1

Khái niệm về các bộ điều chỉnh cộng hưởng ..................................................... 206

9.3.2

Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PR ............................................................. 210

9.3.2.1 Phương pháp thiết kế trên miền tần số .............................................. 210
3


9.3.2.2 Phương pháp đa thức Naslin ............................................................. 213
9.3.2.3 Số hóa bộ điều chỉnh PR ................................................................... 215
9.3.3

Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực 1 pha..................................................... 217

9.3.4

Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp độc lập 1 pha .................................... 223

9.4

Thuật toán vịng khóa pha ....................................................................................... 228

9.4.1

Thuật tốn vịng khóa pha 3 pha ........................................................................ 228

9.4.2

Thuật tốn vịng khóa pha 1 pha ........................................................................ 231

9.5

Triển khai hệ thống điều khiển bộ biến đổi DC/AC trong thực tế .......................... 234

10
CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ĐIỆN TỬ CÔNG
SUẤT Equation Section (Next) .......................................................................................................... 244
10.1

Một số cơ sở toán học ......................................................................................... 244

10.2

Bậc tương đối và động học không ...................................................................... 246

10.3

Tổng quan về các phương pháp điều khiển phi tuyến áp dụng cho Điện tử cơng suất
248

11
TUYẾN TÍNH HĨA BẰNG PHẢN HỒI CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG
SUẤT Equation Section (Next) ......................................................................................................... 250
11.1

Khái niệm về tuyến tính hóa nhờ phản hồi ......................................................... 250

11.2

Khả năng vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa chính xác cho bộ biến đổi
253

DC/DC
11.2.1

Xét ví dụ cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck .................................................. 253

11.2.2

Xét ví dụ bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost ........................................................ 256

11.3
AC/DC.
12

Khả năng vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa chính xác cho bộ biến đổi
261

ĐIỀU KHIỂN TỰA PHẲNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT .......... 262
12.1

Hệ phẳng và điều khiển tựa khiển phẳng ............................................................ 262

12.2

Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển tựa phẳng ......................................... 264

12.3

Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho bộ biến đổi DC/DC ..................................... 266

12.3.1

Ví dụ cho bộ biến đổi Buck ............................................................................. 266

12.3.2

Ví dụ cho bộ biến đổi Boost ............................................................................ 269

12.4

Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho nghịch lưu nguồn áp ba pha nối lưới........... 273

12.4.1

Xác định mơ hình tựa phẳng ............................................................................ 273

12.4.2

Thiết kế trực tiếp .............................................................................................. 275

12.4.3

Điều khiển nối cấp

12.4.4

Mô phỏng ......................................................................................................... 277

........................................................................................... 275

13
ĐIỀU KHIỂN TỰA THỤ ĐỘNG CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Equation Section (Next) ...................................................................................................................... 278
13.1

Định nghĩa hệ thụ động ....................................................................................... 278
4


13.2

Biểu diễn Euler-Lagrange cho hệ động học ........................................................ 279

13.3

Mơ hình tổng quát dạng thụ động cho các bộ biến đổi bán dẫn cơng suất.......... 280

13.4

Ví dụ biểu diễn dạng Euler-Lagrange của các bộ biến đổi ................................. 282

13.5

Điều khiển ổn định cho các bộ biến đổi bán dẫn công suất ................................ 290

13.5.1

Cơ sở lý thuyết trong điều khiển ổn định ......................................................... 290

13.5.2

Tính tốn biến điều khiển cho vấn đề ổn định hệ thống .................................. 292

13.5.3

Hệ điều khiển thụ động thích nghi ước lượng tham số .................................... 293

13.6

Ví dụ thiết kế điều khiển tựa thụ động cho Bộ biến đổi kiểu boost .................... 294

13.6.1

Tính tốn tín hiệu điều khiển ........................................................................... 294

13.6.2

Tính chọn các hệ số cho ma trận cản dịu ......................................................... 296

13.6.3

Phân tích tính ổn định của hệ kín ..................................................................... 297

13.6.4

Thích nghi ước lượng tham số ......................................................................... 298

13.6.5 Mơ hình mơ phỏng hệ thống điều khiển tựa thụ động thích nghi ước lượng tham
số cho Bộ biến đổi kiểu boost ..................................................................................................... 299
14

ĐIỀU KHIỂN HỆ CÓ CẤU TRÚC THAY ĐỔI Equation Section (Next) ............... 300
14.1

Hệ thống điều khiển kiểu rơ-le ............................................................................ 300

14.2

Chế độ trượt trong VSS ....................................................................................... 302

14.2.1

Ví dụ một hệ VSS đơn giản ............................................................................. 302

14.2.2

Chế độ trượt trong VSS ................................................................................... 304

14.2.3

Tính ổn định của chế độ trượt .......................................................................... 305

14.2.4

Điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck .................................................... 306

14.2.5

Mô phỏng hệ điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck ............................... 308

14.3

Điều kiện tồn tại chế độ trượt.............................................................................. 310

14.4

Điều khiển tương đương ..................................................................................... 311

14.4.1

Điều khiển tương đương đối với hệ tuyến tính điều khiển vô hướng .............. 312

14.4.2

Điều khiển tương đương đối với hệ tuyến tính điều khiển vector ................... 313

14.4.3

Điều khiển tương đương đối với hệ phi tuyến tính dạng affin ......................... 314

14.5
14.5.1

Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi kiểu buck ....................................... 315

14.5.2

Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi kiểu boost ...................................... 320

14.5.3

Thiết kế điều khiển trượt cho các BBĐ DC-DC .............................................. 327

14.6
15

Phương pháp thiết kế điều khiển theo mode trượt .............................................. 315

Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC-AC........................................................ 330

Tài liệu tham khảo....................................................................................................... 332

5


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các chữ viết tắt
Chữ viết tắt
PAF
CCM
DCM
SISO
CF PWM
MIMO
PWM
SWM
ZOH
PFC
PM
GM
ADC
DAC
PLL
PI
PR
DSP
VOC
EMI
UPS
RHP
ESR
PV
FPGA
MBA
SMC

Ý nghĩa
Bộ lọc tích cực (Power Active Filter)
Chế độ dòng điện liên tục (Continuous-conduction mode)
Chế độ dòng điện gián đoạn (Discontinuous-conduction mode)
Một đầu vào – một đầu ra (Single Input Single Output)
Bộ điều chế với tần số không đổi
Nhiều đầu vào – nhiều đầu ra (Multiple-Input-Multiple-Output)
Điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation)
Điều chế độ rộng xung (Space vector modulation)
Khâu trích mẫu và giữ bậc khơng (Zero-Order Hold)
Hiệu chỉnh hệ số công suất (Power factor correction)
Dự trữ pha (Phase Margin)
Dự trữ biên độ (Gain Margin)
Chuyển đổi tương tự sang số (Analog to Digital Converter)
Chuyển đổi số sang tương tự (Digital to Analog Converter)
Vịng khóa pha (Phase Locked Loop)
Bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân (Proportional Integral)
Bộ điều chỉnh cộng hưởng tần số (Proportional Resonant)
Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor)
Điều khiển tựa điện áp lưới (Voltage Oriented Control)
Nhiễu điện từ (Electromagnetic interference)
Thiết bị cấp nguồn liên tục (Uninterruptible power supplier)
Điểm zero nằm bên phải mặt phẳng phức (Right half plane)
Nội trở nối tiếp tụ điện (Equivalent series resistance)
Pin mặt trời (Photovoltaics)
Field-programmable gate array
Máy biến áp
Điều khiển trượt (Sliding mode control)

Các ký hiệu

Ký hiệu
td
iT
ID
vT
Von
tgt
diT/dt
Irr
trr
Qrr

Thứ nguyên
s
A
A
V
V
s
A
s
C

Ý nghĩa
Thời gian trễ
Dòng qua tiristor
Dịng qua tiristor tăng đến ID
Điện áp giữa ca-tơt và a-nốt

Điện áp giữa ca-tôt và a-nốt giảm xuống đến Von
Thời gian mở van.
Tốc độ giảm dòng qua van về khơng
Giá trị đỉnh của dịng qua van
Thời gian dịng có giá trị âm,thời gian phục hồi
Điện tích phục hồi
6


tq
dvT/dt
Uco
RGint
RGext
VP
UGS, VGS
UDS, VDS
CGS
CDS
T, T1, T2
CDSl
UGS(th)
td(on) = t1
VDD
t1,t2, t3, t4

s
V/s
V
Ω

Ω
V
V
V
F
F
s
F
V
s
V
s

A1
A2

Thời gian khóa van,lớn hơn thời gian phục hồi khoảng
2 lần
Tốc độ tăng điện áp
Điện áp ngắn mạch khi van bị khóa
Điện trở nội của cực điều khiển
Điện trở mắc nối tiếp ở cực điều khiển
Giá trị đỉnh xung điều khiển đưa ra từ Driver
Tụ CGS
Tụ CDS
Hằng số thời gian
Tụ CDS ở mức thấp
Giá trị ngưỡng của UGS khi tụ (CGS + CDSl) được nạp
Thời gian trễ khi mở
Giá trị điện áp nguồn

Các khoảng thời gian đặc trưng
Đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ (CGS + CGD)
Đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ CGD trong khoảng
t2 đến t4
Thời gian trễ khi khóa
Điện trở DS khi dẫn
Điện trở với cực điều khiển G

td(off)
RDS(on)
RG

s
Ω
Ω

Cgc, Cge

F

Thể hiện các tụ ký sinh giữa cực điều khiển và
collector, emitter.

VGE(th)

V

Điện áp giữa cực điều khiển và emitter đạt đến giá trị
ngưỡng (khoảng 3 – 5V)

I0
tr

A
s

VGE,Io
VCE
Vdc
tfv1, tfv2
Ron

V
V
V
s
Ω

VCE,on
VG

V
V

Giá trị dòng qua collector
Thời gian dòng điện giữa collector-emitter tăng theo
quy luật tuyến tính từ khơng đến dịng tải I0
Điện áp giữa cực điều khiển và emitter
Điện áp giữa collector-emitter
Điện áp nguồn 1 chiều

Hai giai đoạn của quá trình mở
Điện trở giữa collector-emitter khi khóa bão hịa hồn
tồn
Khi bão hịa hoàn toàn,VCE,on = I0Ron
Điện áp giữa cực điều khiển và emittertăng đến giá trị
cuối cùng.

tfi1,tfi2
i1, i2

s
A

UCE(sat)
dUCE/dt

A

Hai giai đoạn giảm dòng qua collector
Dòng của MOSFET trong cấu trúc bán dẫn IGBT ở 2
giai đoạn tfi1 và tfi2
Điện áp khi IGBT dẫn

7


∆UGE
IG,max
P
QG

fsw
d
r(t)
c(t)
bpwm(t)

V
A
W
nC
Hz

sign

vcontrol(t)
vr(t)
vg(t)
Rs
va(t)
vr(t)
H(s)
r(t)
c(t)
R1
f1

1

fc
f1

D
M
Cm
Jn(z)
iL
vC
io
h(t)
Ts
m0
Toff
Ton
fc
G1(s)
G0
G2(s)
VOC(t)
m(t)
vAN(t)

V
V
V
Ω
V
V

Hz
Rad
Hz

Hz

A
V
A

V
V

vBN(t)

V

vo(t)

V
s



Dòng điện được dòng điều khiển đầu cung cấp.
Tổn hao cơng suất trung bình do mạch phát xung
điện tích nạp cho tụ đầu vào
tần số đóng cắt của IGBT
Hệ số lấp đầy xung (hê số điều chế)
Tín hiệu đặ mong muốn
tín hiệu sóng mang dạng răng cưa
Tín hiệu logic
Hàm dấu
tín hiệu từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp

tín hiệu đặt dịng điện có dạng sin
Điện áp khâu nhân
Giá trị điện trở Shunt
Tín hiệu đo được
Tín hiệu đặt
hàm truyền của bộ điều chỉnh điện áp
Tín hiệu răng cưa
biên độ của thành phần sóng sin cơ bản mong muốn
tần số
góc pha của sóng mong muốn
tần số sóng mang răng cưa
tần số sóng cơ bản
Hệ số lấp đầy xung ở chế độ xác lập
Hệ số điều chế.
biên độ sóng răng cưa
Hàm Bessel
dịng điện qua cuộn cảm
điện áp trên tụ
Dòng tải
Chu kỳ điều chế
độ nghiêng của răng cưa
thời gian khóa van khơng đổi
Thời gian mở van tại chế độ xác lập
Tần số đóng cắt tại chế độ xác lập
hệ số khuếch đại của bộ điều chế
gọi là hệ số khuếch đại DC
Hệ số khuếch đại của khâu điều chế
Điện áp đầu ra nghịch lưu
Tín hiệu điều chế
điện áp ra của nửa cầu vAN(t) từ đầu ra A so với điểm

âm N
điện áp ra của nửa cầu vBN(t) từ đầu ra B so với điểm
âm N
Điện áp ra nghịch lưu
Thời gian trễ
8


vAn, vBn, vCn

V

vpn

V

VA,VB,VC
da,db,dc
𝜔

V

 ua , ub , uc 

Rad/s
V

Điện áp giữa các pha đầu ra so với điểm giữa nguồn
một chiều n
điện áp giữa điểm trung tính của tải với điểm giữa

nguồn một chiều
Điện áp ra tải
Hệ số điều chế cho mỗi pha
Tốc độ góc
Điện áp pha trong hệ tọa độ abc

Um
u p ,u n

V
V

Điện áp 3 pha được biểu diễn trong hệ tọa độ αβ
Thành phần thuận nghịch của vector không gian điện
áp 3 pha

uS

V

Vector điện áp
Hệ số điều chế
Tần số của các thành phần hài sau phép điều chế
Góc chậm pha so với điểm chuyển mạch tự nhiên của
các tiristo được điều khiển mở bởi các xung tại các
thời điểm
Điện áp đồng bộ
điện áp điều khiển
điện áp trung bình của đầu ra chỉnh lưu Tiristor loại p
xung

độ đập mạch điện áp chỉnh lưu đầu ra
giá trị đỉnh của điện áp dây đặt vào mạch chỉnh lưu

d1, d2
fh



Hz
rad

udpA
udk
Vdα

V
V
V

P

V2m

V

ud
rL
Gr(S)

V

Ω

e
Toc

s

Điện áp đầu ra chỉnh lưu
Điện trở cuộn cảm
Hàm truyền giữa tín hiệu điều khiển và điện áp ra
Thành phần sức điện động
hằng số thời gian

Kpc
Ai
Bi
x(t)
e(t)
hi
uk(t)

Tham số
ma trận trạng thái 𝑛 × 𝑛
ma trận đầu vào 𝑛 × 𝑝
vector biến trạng thái n phần tử
vector p phần tử của các nguồn độc lập
hàm chứng nhận
Hàm đóng cắt

bk, d

Bk

Vector cột n phần tử
ma trận 𝑛 × 𝑛
vector biến trạng thái tín hiệu nhỏ

x

h1,h2

f t 

x

0

Phép lấy trung bình trượt
Biến trạng thái trung bình

0

uk

0

xe

0

Biến điều khiển trung bình

9


xi , uk
H(s)
I
x2
Ts
rC
VD,0
x 0
u

0

Tín hiệu xoay chiều AC

s
Ω
V

Ma trận hàm truyền
Ma trận đơn vị 𝑛 × 𝑛
Biến đầu ra,điện áp trên tụ C
Chu kì điều chế
Điện trở trên tụ
Sụt áp trên diode
biến trạng thái trung bình
biến điều khiển trung bình

d

xe
vap
vcp
Vc-p
vcp(t), vap(t)
Ia

V
V
V
V
A

Giá trị tại điểm làm việc cân bằng
Điện áp 1 chiều
Điện áp dạng xung
Điện áp giữa 2 cực c và p
các giá trị tức thời của điện áp giữa c-p và giữa a-p
Thành phần dòng điện xác lập DC

Vcp

V

Thành phần điện áp xác lập DC

Ĩa (t)

A

Thành phần dòng điện biến động nhỏ AC

ṽcp

A

Thành phần điện áp biến động nhỏ AC

ia(t)
ZLc
ZL
vˆin
d̃
ṽ0 (s)
ṽg
i1(t)

A
Ω
Ω
V

trở kháng song song giữa mạch tụ lọc C và tải R
là trở kháng mạch điện cảm L
biến động điện áp đầu vào

V

V
A

p
z
0

Hz

tr
ak, bk

s

 x k  t 
X k , , X k ,  , X k
vo u 1 , iL u

Biến động điều khiển
điện áp đầu ra bị tác động
dòng qua cuộn cảm
điểm cực bội
điểm zero dương
Tần số dao động tự do
Thời gian phục hồi
biên độ của các thành phần sóng hài bậc k có trong
x(t).
hệ số phức của chuỗi Fourie
thành phần thực, ảo và mođul của giá trị xác lập của
phazơ thứ k.

0

e
id,iq

vector với độ dài E, quay với tốc độ góc 𝜔
2 thành của dịng điện trong hệ trục 0dq

 t 

tín hiệu sin chuẩn, tần số bằng tần số điện áp nguồn e

 t 

tín hiệu dạng răng cưa với tần số cao fpwm

d , q

2 biến điều khiển đầu vào
10


ik
vo
uk

1

 k t 

ek 1 , uk
ik uk
ek
iS

A
V

Dòng qua cuộn cảm
Điện áp 1 chiều trên tụ
thành phần bậc nhất của các tín hiệu điều khiển
Tín hiệu điều khiển

1

0

0

V
A

sức điện động phía xoay chiều
dịng một chiều trung bình qua các thành phần dịng
xoay chiều
Ma trận T

V
V

tín hiệu điều khiển đến từ khâu điều chế
Sức điện động điện áp đầu ra xoay chiều
Tín hiệu điều khiển

T

u , u β
e, e
 t 

e

điểm làm việc cân bằng tại đầu vào điều khiển



Hệ số với tín hiệu vào điều khiển 
Lưới qua điện cảm liên kết
Công suất đưa vào tụ DC-link
Trở kháng đầu ra

L2
Pin_DC
Z out  s 
Vm
,f c

W
Ω

Hz

Hệ số truyền đạt khâu PWM
Tần số cắt
Hệ số khuếch đại

HZ

tần số tại điểm zero nằm bên phải trục ảo

A

Hệ số tắt dần
hàm truyền giữa dòng điện qua cuộn cảm và hệ số
điều chế
Hàm truyền giữa điện áp ra và lượng đặt dòng điện
qua cuộn cảm
Đại lượng đặt cho dòng điện

A
Ω
s
Hz
Hz

Điện trở tải
Thời gian quá độ
tần số cắt cho mạch vòng dòng điện
Tần số dao động riêng

Kc
fRPH

Hid(S)
Hvi(S)

iL*
ĨL
Re
Tqd
fci

n

Hoi  s 

Hco(S)
iL
isd, isq
id , iq

độ đập mạch dòng điện
A
A

d
T0v
T0c
Kpc

Biến động của hệ số lấp đầy xung
s
s

Chu kì mạch vịng điện áp
Chu kì mạch vịng dịng điện
Hệ số khuếch đại
11


uAC(t)
hDC(t)
HAC(S)
wi
αi
H0(s)
w0
𝜔 CL
Kp, Ki
Td
GPI+, GPI-

V

Hz
s

Tín hiệu điều khiển
Hàm trọng lượng
Bộ điều chỉnh cộng hưởng

hoành độ điểm các đường thẳng cắt nhau
khoảng cách giữa các điểm cắt này theo trục hoành
Hàm truyền
độ đập mạch
Tần số cắt
hệ số của bộ điều chỉnh PR
Thời gian trễ

ise , me

e
Ti

V
s

En
𝜃e
ts

en

s
V

Điện áp lưới
Hằng số thời gian tích phân
modul của vector điện áp
tín hiệu sai lệch pha giữa góc pha thực và góc pha tính
tốn của vector điện áp

Thời gian xác lập
Điện áp en ảo

Us_max

V

Điện áp pha lưới lớn nhất

Tpll

s

Chu kỳ trích mẫu thực hiện thuật tốn PLL

Is_Max

A
s
V

giá trị dịng điện pha lớn nhất
Chu kì thực hiện thuật toán
Điện áp trên tụ lớn nhất
Hàm f(x) gọi là trường vector
hàm g(x) là một ma trận n  p phần tử của các trường
vector
Lượng đặt

V

Điện áp mong muốn

T cs

UC_max
f(x)
g(x)

yref
X1_ref , x2_ref
Rank

Hạng của ma trận

end

V

iload

A

điện áp

end được coi là nhiễu

Ln2
L2e
δi

w u,y  uT y

Dịng cơng suất đầu vào

q
M(q)
C(q, q˙)
g(q)
τ

vector của hệ tọa độ tổng quát
ma trận quán tính tổng quát
ma trận lực ly tâm và lực Coriolis
trọng lực
vector lực tác động vào hệ thống
12


H
F(u)
K(u)
RLi(u)
xTF(u)x
x d.
xdc
xdf

Ω

giá trị cân bằng xác lập
quỹ đạo trạng thái mong muốn ở chế độ xác lập
quỹ đạo trạng thái tương ứng của biến tự do

F(.)
Kic, Kif
Pr và Pest

τf
τc
E

ma trận xác định dương gọi là hàm tích trữ
ma trận biểu diễn phần năng lượng nội tại trong hệ
thống
ma trận xác định không âm thể hiện tốc độ tổn hao của
năng lượng
điện trở tương đương trong mạch

quan hệ hàm số nào đó.
tham số thật và tham số được ước lượng tương ứng
ma trận đường chéo xác định nửa dương dùng để xác
định tốc độ hội tụ của ước lượng tham số
s
s
V

hằng số thời gian của biến tự do xf
Hằng số thời gian của biến điều khiển được
Điện áp đầu vào

γ1, γ2

hai số dương, xác định tốc độ hội tụ của sai lệch ước
lượng tham số E, Y tới không

ωo2Vg
Si(x)
ueq

thành phần cưỡng bức
Hàm đóng cắt
Tín hiệu điều khiển tương đương
điểm làm việc cân bằng của hệ quá độ bậc nhất với
hằng số thời gian 
sai lệch của dòng điện qua cuộn cảm và điện áp đầu ra
trên tụ tương ứng
một hệ số của các tọa độ trên mặt phẳng pha

vo  Vo*
iˆ, vˆo

A,V

Kv
Rs

Ω

xác định độ nghiêng của đường thẳng trượt, có thể là

điện trở của mạch đo dòng điện.


1

Hz

Tần số cắt của khâu lọc bậc nhất
băng thơng lớn nhất có thể đạt được của đáp ứng sai

M
fM

lệch đầu ra
Hz

vˆo trong miền thời gian

Tần số băng thông

13


1

TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Các bộ biến đổi bán dẫn đóng vai trị là một khâu biến đổi với hiệu suất cao nguồn điện phía
đầu vào tới đầu ra với các thông số thay đổi như mong muốn. Yêu cầu đầu tiên đối với quá trình biến
đổi là hiệu suất cao nhất có thể. Để đạt hiệu suất cao các bộ biến đổi sử dụng các phần tử bán dẫn cơng

suất như các khố điện tử, dùng để nối tải vào nguồn theo những quy luật nhất định, trong những khoảng
thời gian nhất định, nhờ đó mà biến đổi được các thông số của nguồn điện, đáp ứng các yêu cầu khác
nhau của phụ tải cũng như các yêu cầu về điều chỉnh khác nhau. Các quy luật đóng cắt van bán dẫn
được thực hiện bởi các khâu điều chế độ rộng xung (PWM). Các phần tử cơng suất đóng cắt các dịng
điện, có thể rất lớn, hàng trăm đến hàng nghìn A, dưới điện áp có thể rất cao, từ vài chục đến vài trăm
V, tuy nhiên lại được điều khiển bởi những dòng điện, điện áp rất nhỏ, tạo ra bởi những mạch điện tử
công suất nhỏ thông thường, gọi là các mạch phát xung.
Để có được những thông số nguồn điện ở đầu ra mong muốn, như giá trị và dạng sóng của điện
áp, dịng điện, trong điều kiện các thông số của nguồn và các biến động của tải tác động, có thể phải áp
dụng các hệ thống điều khiển có phản hồi. Trong đa số trường hợp bộ biến đổi không thể làm việc được
nếu thiếu các mạch vịng điều chỉnh kín. Việc áp dụng các công cụ của Lý thuyết điều khiển tự động
trong các ứng dụng của Điện tử công suất gọi là điều khiển Điện tử công suất.
Các mạch phát xung phải tạo ra xung điều khiển trực tiếp đóng cắt các van bán dẫn, được xây
dựng từ các phần tử rời rạc. Các khâu điều chế có thể xây dựng từ các phần tử rời rạc, nghĩa là hoàn
toàn bằng phần cứng, nhưng cũng có thể thực hiện bằng phần mềm. Khi đó quy luật điều chế có thể
thực hiện bằng chương trình trên các vi điều khiển hoặc bộ xử lý tín hiệu số DSP. Cùng với khâu phát
xung, khâu điều chế được coi là mức điều khiển thấp nhất.
Các mạch vòng điều chỉnh bao gồm các mạch đo lường dòng điện, điện áp, bộ xử lý sai lệch,
đưa ra tín hiệu điều khiển tới mạch điều khiển ở mức thấp hơn. Trước đây mạch vòng điều chỉnh chủ
yếu được xây dựng bởi các phần tử tương tự rời rạc vì bản chất nó phải làm việc với các tín hiệu tương
tự. Tuy nhiên ngày nay do tiến bộ vượt bậc của vi điều khiển và DSP các hệ thống điều khiển hoàn toàn
số đã được áp dụng rộng rãi. Do đó các hệ thống điều chỉnh chủ yếu được thực hiện bằng phần mềm.

1.1

Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất

Trong xu hướng phát triển hiện nay phần lớn các bộ biến đổi Điện tử công suất là một hệ thống
điều khiển số. Về mặt cấu tạo hệ thống bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm mạch
lực, các khâu phát xung được xây dựng từ các phần tử rời rạc. Các khâu đo lường các tín hiệu điện như

dịng điện, điện áp, cũng dùng những mạch tương tự để phối hợp trở kháng, chuẩn hóa, lọc nhiễu, trước
khi đưa tín hiệu đến các khâu A/D để chuyển thành tín hiệu số. Phần mềm sẽ chịu trách nhiệm xử lý
các tín hiệu trong môi trường số. Bản chất các hệ thống điều khiển số là các hệ trích mẫu, trong đó các
tín hiệu vào ra được cập nhật ở đầu mỗi chu kỳ, q trình tính tốn phải hồn thành trong chu kỳ trích
mẫu và cập nhật trên đầu ra ở đầu chu kỳ tiếp theo. Những quá trình nhanh như mạch vòng dòng điện
phải được cập nhật với chu kỳ ngắn hơn nhiều so với các quá trình chậm, như mạch vịng điện áp hoặc
các mạch vịng bên ngồi của bộ biến đổi. Mối quan hệ giữa các khâu và quá trình xử lý trong hệ thống
điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất được minh họa như trên hình 1.1.

14


Power layer

Controll layer

Power input

10 µs

Filters

Process

Data bus

Slow controller

Fast controller

Gate
drivers
I/U

1 ms
10 ms

0.1-1 µs
PE
switches

100 µs

Sensors

Pulse modulation

U/I

Control bus

Filters

100 ms

Master
Controller
(supervision)

Sensors

....

Sensors
Hardware

Software

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển điện tử cơng suất tiêu biểu.
Trên hình 1.1 thể hiện vị trí của các thành phần trong hệ thống điều khiển bộ biến đổi bán dẫn
nói chung, trong đó chỉ ra mối quan hệ giữa phần cứng và phần mềm thơng qua khoảng thời gian trích
mẫu tương ứng. Phần cứng bao gồm mạch van bán dẫn và mạch phát xung với thời gian tác động ngắn
nhất, cỡ 0,1 ÷ 1 µs. Mạch điều khiển ở cấp thấp nhất bao gồm khâu điều chế, mạch đo các đại lượng
điện như điện áp, dòng điện ở đầu vào, đầu ra bộ biến đổi hoạt động với chu kỳ trích mẫu cập nhật tín
hiệu vào, ra cỡ 10 µs. Mạch vịng tác động nhanh như mạch vịng dịng điện, mạch vịng mơ men, cùng
với khâu đo lường các biến q trình (có thể là tốc độ, áp suất, nhiệt độ, ...) thường cập nhật với chu kỳ
cỡ 100 µs. Mạch vịng ngồi cùng liên quan đến công nghệ như tốc độ, độ dịch chuyển, vị trí, cập nhật
ở tần số thấp, chu kỳ cỡ 1 ms. Các quá trình theo dõi, giám sát, trao đổi thông tin với hệ thống điều
khiển cấp cao hơn được trích mẫu với thời gian cỡ 100 ms.
Hình 1.1 thể hiện một hệ thống điều khiển số. Tuy nhiên một hệ thống điều khiển tương tự cũng
có thể được hình dung với việc sắp đặt các mạch vịng tương tự như vậy, trong đó thời gian trích mẫu
được hiểu là các hằng số thời gian nhanh chậm tương ứng.

1.2

Mạch phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn

1.2.1
Điều khiển mở cho Tiristor
Tiristor là phần tử khóa bán dẫn cơ bản, mở dẫn dịng bằng tín hiệu điều khiển nhưng khóa lại
do tác dụng bên ngồi. Tiristor khóa lại khi bị đặt điện áp ngược lên giữa ca-tốt và a-nốt hoặc do dịng

qua nó về bằng khơng. Nói cách khác thì tiristor là phần tử điều khiển khơng hồn tồn. Đặc tính đóng
cắt của tiristor cho trên hình 1.2.
Trên hình 1.2 tiristor được điều khiển mở bởi một xung dòng điện đưa vào giữa cực điều khiển
và ca-tốt iG. Sau một khoảng thời gian trễ td dòng qua tiristor iT bắt đầu tăng lên đến giá trị ID và điện
áp giữa ca-tôt, a-nốt vT giảm xuống đến giá trị Von là sụt áp nhỏ rơi trên van khi mở. Khi tiristor đã dẫn
dịng xung điều khiển khơng cịn cần thiết nữa. Thời gian từ lúc có xung điều khiển đến khi van mở dẫn
hoàn toàn như trên đồ thị tgt là thời gian mở van.

15


Hình 1.2 Dạng điện áp và dịng điện của Tiristor trong q trình đóng cắt.
Giả sử tại thời điểm t1, điện áp trên van đảo cực tính, van bắt đầu khóa lại. Dịng qua van giảm
về khơng với một tốc độ giảm diT/dt do mạch bên ngồi quyết định. Dịng tiếp tục đảo chiều qua không
đến giá trị đỉnh Irr sau đó mới giảm dần về khơng. Thời gian dịng có giá trị âm trr là khoảng thời gian
phục hồi tính chất khóa của van, thiết lập giá trị điện áp âm cho tiếp giáp bán dẫn p-n. Lượng điện tích
đi vào cấu trúc bán dẫn để xác lập điện áp trên các tiếp giáp phân cực ngược, bằng phần diện tích dưới
đường cong dịng điện, Qrr gọi là điện tích phục hồi. Cho đến khi dịng ngược chưa đạt giá trị đỉnh Irr
van vẫn trong trạng thái phân cực thuận, điện áp giữa a-nốt, ca-tốt vẫn có giá trị dương nhỏ Von. Từ thời
điểm dòng ngược bắt đầu giảm van mới thực sự bị phân cực ngược, điện áp trên van mới tăng lên đến
giá trị điện áp âm như từ ngồi đặt vào. Trên đồ thị có thể thấy điện áp trên van có một giá trị đỉnh trong
một thời gian ngắn do dòng ngược biến động nhanh sinh ra trên các điện cảm ký sinh trong mạch. Thời
gian van khóa lại coi là khoảng thời gian bắt đầu từ khi dịng qua khơng và lớn hơn thời gian phục hồi
khoảng 2 lần, tq. Sau thời gian tq điện áp trên van có thể dương trở lại mà van không bị tự mở ra. Đối
với tiristor thời gian khóa của van quyết định bởi thời gian phục hồi trr. Với các tiristor nhanh trr cỡ từ
5 đến 30 µs, với các van chậm trr có thể đến 100 µs.

Hình 1.3 Sơ đồ mạch nguyên lý tiêu biểu mở Tiristor
(a) dùng biến áp xung, (b) Dùng IC cách ly.

16


Ngồi thời gian đóng mở, các thơng số quan trọng liên quan đến đặc tính động của van cịn là
các giới hạn cho phép về tốc độ tăng dòng điện diT/dt và tốc độ tăng điện áp dvT/dt.
Sơ đồ tiêu biểu của một mạch khuếch đại xung điều khiển tiristor được cho trên hình 1.3. Trên
sơ đồ hình 1.3 (a) khóa transistor T được điều khiển bởi một xung có độ rộng nhất định, đóng cắt điện
áp phía sơ cấp biến áp xung. Xung điều khiển đưa đến cực điều khiển của tiristor ở phía bên cuộn thứ
cấp. Mạch lực được cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển bởi biến áp xung. Điện trở R hạn chế dòng
qua transistor và xác định nội trở của nguồn tín hiệu điều khiển. Điôt D1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến
áp xung khi transistor T khóa lại để chống quá áp trên T. Điôt D2 ngăn xung âm vào cực điều khiển.
Điôt D3 mắc song song với cực điều khiển và có thể song song với tụ C có tác dụng giảm quá áp trên
tiếp giáp G-K khi tiristor bị phân cực ngược. Trên hình 1.3 (b) tiristor được điều khiển bởi mạch phát
xung cách ly nhờ optocoupler, trong đó cần có nguồn cách ly bên phía cực điều khiển.
1.2.2
Điều khiển đóng cắt cho MOSFET
Q trình điều khiển đóng cắt một khóa MOSFET được mơ tả qua sơ đồ trên hình 1.4. Trên
hình 1.4, MOSFET được thay thế bằng mạch tương đương với các tụ ký sinh giữa các cực máng D, cực
gốc S, và cực điều khiển G. Van đóng cắt một phụ tải nguồn dòng giữa cực máng và cực gốc, song song
với điôt D để ngắn mạch khi van bị khóa, dưới điện áp +Uco, được điều khiển bởi mạch phát xung
DRIVER. Đây là loại phụ tải tiêu biểu cho van trong sơ đồ các bộ biến đổi bán dẫn. Trên cực điều khiển
ngoài điện trở nội tại RGint ta xét đến ảnh hưởng của điện trở mắc thêm RGext.

Hình 1.4 Mạch điều khiển mở MOSFET.
Khi có xung dương ở đầu vào của DRIVER ở đầu ra của nó sẽ có xung với biên độ VP đưa đến
trở RGext. Điện áp UGS sẽ tăng với hằng số thời gian xác định bởi T1 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDl),
trong đó tụ CGD đang ở mức thấp CGDl do điện áp UDS đang ở mức cao. Dạng sóng của quá trình mở van
thể hiện trên hình 1.5 (a). Theo đồ thị, trong khoảng thời gian từ 0 đến t1, tụ (CGS + CDSl) được nạp theo
quy luật hàm mũ tới giá trị ngưỡng UGS(th). Trong khoảng này cả điện áp UDS lẫn dòng ID đều chưa thay
đổi. td(on) = t1 gọi là thời gian trễ khi mở. Bắt đầu từ thời điểm t1 khi UGS đã vượt qua giá trị ngưỡng,

dòng cực máng ID bắt đầu tăng, tuy nhiên điện áp UDS vẫn giữ nguyên ở giá trị điện áp nguồn VDD.
Trên đồ thị hình 1.5 (a), A1 đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ (CGS + CGD) trong khoảng t1 đến
t2, A2 đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ CGD trong khoảng t2 đến t4.

17


Nếu coi điôt không D không phải là lý tưởng thì q trình phục hồi của điơt sẽ ảnh hưởng đến
dạng sóng của sơ đồ như được chỉ ra trong hình 1.5 (a), theo đó dịng ID có đỉnh nhơ cao ở thời điểm t2
tương ứng với dòng ngược của q trình phục hồi điơt D.

uGS (t )  U p 1  e  t / T1 
uGS (t )  U p 1  e  t / T2





uGS (t )  U p e  t / T2

uGS (t )  U p e  t / T1

Hình 1.5 Đồ thị dạng xung dịng điện, điện áp trên MOSFET (a) Quá trình điều khiển mở,
(b) Quá trình điều khiển khóa.
Dạng sóng của q trình khóa thể hiện trên hình 1.5 (b). Khi đầu ra của vi mạch điều khiển
DRIVER xuống đến mức không VGS bắt đầu giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian T2 = (Rdr + RGext
+ RGin).(CGS + CGDh) từ 0 đến t1, tuy nhiên sau thời điểm t3 thì hằng số thời gian lại là T1 = (Rdr + RGext
+ RGin).(CGS + CGDl). Từ 0 đến t1 là thời gian trễ khi khóa td(off), dịng điều khiển phóng điện cho tụ CGS
và tụ CGD. Sau thời điểm t1 điện áp VSD bắt đầu tăng từ ID.RDS(on) đến giá trị cuối cùng tại t3, trong khi đó
dịng ID vẫn giữ ngun mức cũ. Khoảng thời gian từ t2 đến t3 tương ứng với mức Miller, dòng điều

khiển và điện áp trên cực điều khiển giữ nguyên giá trị không đổi. Sau thời điểm t3 dịng ID bắt đầu giảm
về đến khơng ở thời điểm t4. Từ t4 MOSFET bị khóa hẳn.
Cả q trình mở và khóa của MOSFET đều phụ thuộc vào hằng số thời gian phóng nạp tụ CGS
và CGD, với sự tham gia của điện trở RGext. Thay đổi giá trị điện trở này có thể làm giảm thời gian đóng
mở của van, điều này là cần thiết để giảm bớt tốc độ thay đổi của dịng qua van, nhờ đó tránh được các
dao động điện áp do các thành phần điện cảm ký sinh trong mạch gây ra.
Khi dẫn MOSFET thể hiện bởi tham số RDS(on) (điện trở DS khi dẫn).
18


1.2.3
Điều khiển đóng cắt cho IGBT
Xét q trình mở và khóa một IGBT theo sơ đồ thử nghiệm cho trên hình 1.6. Trên sơ đồ IGBT
đóng cắt một tải cảm có điơt khơng D0 mắc song song. IGBT được điều khiển bởi nguồn tín hiệu với
biên độ VG, nối với cực điều khiển G qua điện trở RG. Cgc, Cge thể hiện các tụ ký sinh giữa cực điều
khiển và collector, emitter.

Hình 1.6 Sơ đồ thử nghiệm đặc tính đóng/mở IGBT.
Quá trình mở IGBT diến ra rất giống với quá trình này ở MOSFET khi điện áp điều khiển đầu
vào tăng từ khơng đến giá trị VG. Dạng sóng của quá trình mở IGBT cho trên hình 1.7. Trong thời gian
trễ khi mở td(on) tín hiều điều khiển nạp điện cho tụ Cge làm điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng
theo quy luật hàm mũ, từ không đến giá trị ngưỡng VGE(th) (khoảng 3 – 5V), chỉ bắt đầu từ đó MOSFET
trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa collector-emitter tăng theo quy luật tuyến
tính từ khơng đến dịng tải I0 trong thời gian tr. Trong thời gian tr điện áp gữa cực điều khiển và emitter
tăng đến giá trị VGE,Io, xác định giá trị dịng I0 qua collector. Do điơt D0 cịn đang dẫn dòng tải I0 nên
điện áp VCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều Vdc. Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo hai
giai đoạn, tfv1 và tfv2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực điều khiển giữ nguyên ở mức VGE,Io
(mức Miller), để duy trì dịng I0, do dịng điều khiển hồn tồn là dịng phóng của tụ Cgc. IGBT vẫn làm
việc trong chế độ tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra q trình khóa và phục hồi của điơt D0. Dịng
phục hồi của điơt D0 tạo nên xung dịng trên mức dòng I0 của IGBT. Điện áp VCE bắt đầu giảm. IGBT

chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hịa. Giai đoạn hai tiếp diễn quá
trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của collector, dẫn đến điện trở giữa collector-emitter về đến
giá trị Ron khi khóa bão hịa hồn tồn, VCE,on = I0Ron.
Sau thời gian mở ton, khi tụ Cgc đã phóng điện xong điện áp giữa cực điều khiển và emitter tiếp
tục tăng theo quy luật hàm mũ, với hằng số thời gian bằng CgeRG, đến giá trị cuối cùng VG.
Dạng điện áp, dịng điện của q trình khóa thể hiện trên hình 1.8. Q trình khóa bắt đầu khi
điện áp điều khiển giảm từ VG xuống –VG. Trong thời gian thời gian trễ khi khóa td(off), chỉ có tụ đầu vào
Cge phóng điện qua dịng điều khiển đầu vào với hằng số thời gian bằng CgeRG, tới mức điện áp Miller.
Bắt đầu từ mức Miller điện áp giữa cực điều khiển và emitter bị giữ không đổi do điện áp Vce bắt đầu
tăng lên và do đó tụ Cgc bắt đầu được nạp điện. Dịng điều khiển bây giờ sẽ hồn tồn là dịng nạp cho
tụ Cgc nên điện áp VGE được giữ không đổi.

19


Hình 1.7 Đồ thị dạng xung khi điều khiển
mở IGBT.

Hình 1.8 Đồ thị dạng xung khi điều khiển
khóa IGBT.

Điện áp Vce tăng từ giá trị bão hòa Vce,on tới giá trị điện áp nguồn Vdc sau khoảng thời gian trV.
Từ cuối khoảng trV điôt D0 bắt đầu mở ra cho dịng tải I0 ngắn mạch qua, do đó dịng collector bắt đầu
giảm. Q trình giảm dịng diễn ra theo hai giai đoạn, tfi1 và tfi2. Trong giai đoạn đầu, thành phần dòng
i1 của MOSFET trong cấu trúc bán dẫn IGBT suy giảm nhanh chóng về khơng. Điện áp Vge ra khỏi
mức Miller và giảm về mức điện áp điều khiển ở đầu vào –VG với hằng số thời gian RG(Cge + Cgc). Ở
cuối khoảng tfi1, Vge đạt mức ngưỡng khóa của MOSFET, VGE(th), tương ứng với việc MOSFET bị khóa
hồn tồn. Trong giai đoạn hai, thành phần dịng i2 của transistor p-n-p bắt đầu suy giảm. Q trình
giảm dịng này có thể kéo rất dài vì các điện tích trong lớp n- chỉ bị mất đi do quá trình tự trung hịa
điện tích tại chỗ. Đó là vấn đề đi dịng điện đặc trưng cho IGBT mà khơng có ở MOSFET.

Lớp n- trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp giảm điện áp rơi khi dẫn vì khi đó số lượng các
điện tích thiểu số (các lỗ) tích tụ trong lớp này làm giảm điện trở đáng kể. Tuy nhiên các điện tích tích
tụ này lại khơng có cách gì di tản ra ngoài một cách chủ động được, làm tăng thời gian khóa của phần
tử. Ở đây cơng nghệ chế tạo bắt buộc phải thỏa hiệp. So với MOSFET, IGBT có thời gian mở tương
đương nhưng thời gian khóa thì dài hơn.
Khi dẫn IGBT dẫn dùng tham số UCE(sat) tương tự như ở transitor. Cũng có hãng chế tạo đưa ra
điện áp trên IGBT khi dẫn bão hòa, bao gồm cả hai thành phần cấu tạo transitor và MOS trong IGBT
là:
U C E ( sat )  U C E ( p  n )  R C E ( on ) I c

(1.1)

Điện áp U C E ( sa t ) của IGBT thường nhỏ hơn MOSFET, và đây cũng là ưu điểm IGBT so với
MOSFET.

20


Đối với MOSFET, xung điều khiển mở UGS-on = 6÷10V, xung khóa thường chỉ yêu cầu UGS-off
= 0V. Đối với IGBT, xung mở UGE-on = 15V, xung khóa phải có giá trị âm UGE-off = - 5V.
1.2.4
Mạch driver cho MOSFET và IGBT
Những khó khăn trong điều khiển IGBT và MOSFET chủ yếu là tạo được các xung điều khiển
với sườn xung dựng đứng, thời gian tạo sườn xung chỉ cỡ vài ns hoặc nhỏ hơn. Các tụ điện ký sinh giữa
cực điều khiển G với cực gốc S (hoặc E ở IGBT), giữa cực G với cực máng D (hoặc collectơ C), cản
trở tốc độ thay đổi của tín hiệu điều khiển. Đã có nhiều vi mạch chuyên dụng, phục vụ cho khâu tạo
xung điều khiển cuối cùng này, gọi là các driver. Sơ đồ một mạch driver cho trên hình 1.9.

Hình 1.9 Sơ đồ mạch nguyên lý sử dụng driver cho MOSFET, IGBT.
Điện trở RG mắc nối tiếp với cực điều khiển có một số tác dụng quan trọng. RG giảm thời gian

xác lập tín hiệu điều khiển, giảm ảnh hưởng của dUCE/dt, giảm tổn thất năng lượng trong quá trình điều
khiển nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện cảm ký sinh trong mạch.
Dòng điều khiển đầu vào phải cung cấp được dịng điện có biên độ bằng:

I G ,max 

U GE
RG

(1.2)

trong đó U GE  U GE ( on )  U GE ( off ) .
Tổn hao cơng suất trung bình do mạch phát xung có thể tính bằng:
P = UGE.QG.fsw,

(1.3)

Trong đó QG (nanoculơng, nC) là điện tích nạp cho tụ đầu vào, giá trị thường được cho trong
tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất, fsw là tần số đóng cắt của IGBT.
Điện trở nối tiếp với cực điều khiển RG được tính theo cơng thức sau:

RG 

VGE  VGE
I GP

 Rg

(1.4)

Cơng suất tiêu tán lớn nhất trên điện trở RG là: I G2 P R G .

21


Trong khi MOSFET có thể điều khiển khóa lại dễ dàng nhờ đưa tín hiệu điều khiển giữa G và
S về mức 0V thì ở IGBT thời gian khóa bị kéo dài hơn do cấu trúc bán dẫn giống như tranzito thường.
Ngồi ra việc khóa IGBT khơng thể chủ động như ở MOSFET, khi quá tải IGBT có thể ra khỏi chế độ
bão hịa, tổn hao cơng suất trên phần tử có thể tăng vọt, phá hỏng phần tử. Chính vì vậy driver cho
IGBT thường có kết hợp một driver giống như ở MOSFET với các mạch bảo vệ chống quá tải khác. Sơ
đồ điều khiển IGBT dùng IC driver HCPL-316J cho trên hình 1.10.

Hình 1.10 Sơ đồ mạch nguyên lý sử dụng driver HCPL 316J.

Hình 1.11 Sơ đồ mạch sử dụng driver HCPL 316J với bộ đệm khuếch đại dịng điện.
Driver cho IGBT có tích hợp q tải bằng cách theo dõi điện áp giữa collectơ và emitơ trong
thời gian có tín hiệu mở, nếu điện áp này lớn hơn 5 đến 7V mạch sẽ tự động phát tín hiệu quá tải và
thực hiện khóa IGBT lại với thời gian khóa được kéo dài ra gấp 10 lần (tới 10s). Như vậy IGBT sẽ
khóa lại qua vùng tuyến tính, dịng tải khơng bị ngắt đột ngột, tránh được xung quá điện áp đánh thủng
van. Chức năng bảo vệ này gọi là desaturation, nghĩa là khố qua vùng khơng bão hồ. Sơ đồ cho trên
hình 1.11 là phương án điều khiển các IGBT dòng lớn hơn, đến 600 A, dùng Driver HCPL 310J, đầu
ra có mạch đệm dùng hai MOSFET công suất nhỏ để khuếch đại xung đầu ra.

22


1.3 Mục tiêu đặt ra trong thiết kế điều khiển các bộ biến đổi
Hệ thống điều khiển các bộ biến đổi bán dẫn có mục đích đảm bảo q trình biến đổi
năng lượng diễn ra trong bộ biến đổi trong khi sự thay đổi của một số biến đầu ra tuân theo các
yêu cầu đặt ra. Ví dụ trong các bộ biến đổi DC-DC, một điện áp nguồn DC đầu vào, thay đổi

trong một phạm vi nhất định, được biến đổi thành một điện áp DC ở đầu ra và cần được giữ ổn
định ngay cả khi tải thay đổi trong một phạm vi rộng, như đối với Bộ biến đổi kiểu boost trong
sơ đồ trên hình 1.12.

v o*

iL*

Hình 1.12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển điện áp đầu ra cho Bộ biến đổi kiểu boost.

Trong một cấu trúc khác, như sơ đồ trên hình 1.13, bộ biến đổi DC-AC phải đảm bảo
đưa được năng lượng từ phía nguồn phát DC, có thể là pin mặt trời, về phía nguồn lưới AC,
với biên độ điện áp và tần số tương đối ổn định. Trong sơ đồ này để đảm bảo quá trình biến
đổi diễn ra điện áp một chiều trên tụ DC-link phải được giữ ổn định, cao hơn giá trị biên độ
của điện áp lưới, dòng điện qua cuộn cảm liên kết nghịch lưu với lưới L phải có dạng hình sin.
Điều này có thể thực hiện được nhờ cấu trúc điều khiển hai mạch vòng, mạch vòng điện áp bên
ngồi và mạch vịng dịng điện bên trong.
Trong các bộ lọc tích cực (Power Active Filter – PAF) cũng có u cầu điều khiển hai
thơng số, trong đó điện áp vDC cần giữ không đổi ở mức cao hơn giá trị biên độ của điện áp
phía lưới xoay chiều. Dòng điện qua cuộn cảm liên kết cần được bảo đảm có dạng chứa đủ các
sóng hài bậc cao để bơm vào điểm kết nối, bù hết được dòng tải phi tuyến, qua đó dịng phía
lưới sẽ có dạng sin. Điều này địi hỏi mạch vịng dịng điện phải có băng thơng đủ rộng để cho
qua sóng hài đến bậc cao nhất theo dịng cần bù.
Nhìn chung q trình thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi bán dẫn cơng suất có mục
tiêu đảm bảo các q trình ở tần số thấp, thường thấp hơn nhiều so với tần số đóng cắt của các
khóa bán dẫn. Chính vì điều này mà các mơ hình trung bình có ý nghĩa rất quan trọng trong mơ
tả đặc tính động học của các bộ biến đổi.

23

Cdc

*
udc

is*

us*

m

is

sin  

en

Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho hệ nguồn phát từ pin mặt trời kết nối với lưới điện một
pha.

Các đặc tính của bộ biến đổi chỉ thể hiện trong mối quan hệ tương tác giữa chúng với
toàn bộ hệ thống biến đổi năng lượng liên quan, vì vậy mơ hình hóa phải bao gồm cả các khâu
liên quan này. Ví dụ trong các hệ thống điều khiển truyền động mà bộ biến đổi tham gia, các
tham số trong quá trình biến đổi năng lượng như điện áp, dịng điện liên quan mật thiết với các
thơng số điện cơ như mơ men, tốc độ, qn tính của hệ thống cơ học cũng như quá trình điều
khiển gia tốc mong muốn. Như vậy điều khiển truyền động điện thậm chí là một lĩnh vực riêng
với nhưng yêu cầu về mơ hình hóa và thiết kế điều khiển đặc thù của mình. Trong các hệ thống
cấp nguồn đặc điểm yêu cầu là điện áp phải ổn định trong tồn bộ dải thay đổi của phụ tải, từ
khơng tải đến định mức, một cách ngẫu nhiên, trong khi nguồn đầu vào sơ cấp có thể biến động

chậm trong một phạm vi nào đó. Vì vậy trong các hệ thống cấp nguồn hệ thống điều khiển phải
có khả năng loại bỏ gần như hoàn toàn tác động của những nhiễu ngẫu nhiên mà nhiễu này có
thể khơng mơ tả được. Khi bộ biến đổi đảm bảo quá trình trao đổi năng lượng với một “lưới
điện khỏe”, ví dụ như lưới điện quốc gia, thì có thể coi một phía nguồn là nguồn áp lý tưởng,
bộ biến đổi sẽ làm việc trong điều kiện điện áp hình sin và yêu cầu chính là khả năng điều chỉnh
dịng cơng suất tác dụng cũng như cơng suất phản kháng, nói cách khác là đảm bảo yêu cầu về
cân bằng năng lượng tức thời. Chính vì điều này lý thuyết về cơng suất tức thời có ý nghĩa quan
trọng để có thể mơ hình hóa các biến liên quan đến năng lượng. Trong các hệ thống nguồn phát
phân tán (Distributed Generation – DG) trong các hệ thống năng lượng tái tạo nguồn lưới thể
hiện là một “lưới yếu”, đối lập với khái niệm lưới khỏe trên đây. Việc mơ hình hóa trở nên một
bài tốn phức tạp hơn vì phải mơ tả hệ thống cân bằng năng lượng trong điều kiện các thông
số như tần số, điện áp thay đổi trong một phạm vi rộng và phải chỉ ra đâu là bộ điều khiển tần
số, đâu là bộ điều khiển điện áp (những thông số này là cố định trong hệ thống điện quốc gia).
Trong đa số trường hợp mơ hình bộ biến đổi sử dụng những cặp nguồn phụ thuộc điều
khiển bởi cùng một đầu vào, hệ số lấp đầy xung d. Chính điều này làm cho mơ hình là phi
tuyến (có tích của biến trạng thái với biến điều khiển) và đặc tính của hệ thống phụ thuộc vào
điểm làm việc cân bằng.

24