GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

CHƯƠNG 3: CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN
Chỉnh lưu một pha, ba pha không điều khiển, được trình bày ở chương trước,
không cho phép điều khiển điện năng được biến đổi từ xoay chiều (ac) thành một
chiều (dc). Khả năng biến đổi điện năng này có thể thực hiện được nhờ sử dụng các
thyristor công suất trong mạch chỉnh lưu. Chương này đề cấp đến hai loại cơ bản của
chỉnh lưu điều khiển là: chỉnh lưu một pha điều khiển và chỉnh lưu ba pha điều khiển.
Cả hai dạng chỉnh lưu điều khiển đều được áp dụng trong phần lớn các thiết bị điện.
3.1. Chỉnh lưu một pha điều khiển
Chỉnh lưu một pha điều khiển ngày càng được phạm vi ứng dụng rộng lớn. Như
trên hình 3-1, chỉnh lưu một pha điều khiển có thể phân chia thành hai nhóm lớn:
(i) Các cấu trúc hoạt động với tần số chuyển mạch thấp, còn được biết với cái
tên chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch tuần tự.
(ii) Những sơ đồ mạch làm việc với tần số cao, còn được gọi điều chỉnh hệ số
công suất (power factor corrector - PFC).
Thời gian gần đây, xuất hiện nhiều quan tâm đến việc kiểm soát sóng hài bậc
cao ở phía dòng điện xoay chiều cấp cho chỉnh lưu. Đây chính là nguyên nhân chủ yếu
cho sự phát triển các hệ thống điều chỉnh hệ số công suất (PFC). Những sơ đồ mạch
này sử dụng transistor công suất, làm việc với tần số cao để cải thiện chất lượng dạng
sóng dòng điện xoay chiều, từ đó nâng cáo hệ số công suất. Chỉnh lưu hệ số công suấ
cao được chia thành loại tái tạo và không tái tạo.

Hình 3-1: Phân loại chỉnh lưu một pha điều khiển


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

3.1.1. Chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch tuần tự
3.1.1.1. Chỉnh lưu một pha nửa sóng
Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển sử dụng một thyristor để điều
chỉnh điện áp cấp cho tải được trình bày trên hình 3-2.

Hình 3-2: Chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển

Thyristor sẽ dẫn khi điện áp vAK dương và có xung dòng điện iG đặt vào cực
điều khiển. Điều chỉnh giá trị điện áp đầu ra cấp cho tải được thực hiện bằng cách
thay đổi góc điều khiển α của xung dòng iG. Góc điều khiển α được tính từ thời điểm
có điện áp vAK > 0 (chuyển mạch tự nhiên). Trong trường hợp trên hình 3-2, góc α
được tính từ vị trí bắt đầu cấp điện đầu vào vs. Cùng trên hình chúng ta thấy dạng sóng
của dòng điện id hoàn toàn trùng khớp với dạng sóng điện áp vL. Trong chế độ tải điện
trở, thyristor chuyển sang điều kiện không dẫn, trạng thái ngắt, khi điện áp của tải và
do đó dòng điện đạt giá trị âm.
Điện áp đầu ra được tính theo biểu thức:

v d

1 
V

Vm sin x.dx  m (1  cos )

2 
2

(3-1)

Trong đó Vm – biên độ điện áp nguồn xoay chiều
Trong hình 3-3a, vẽ sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển với tải
R-L và dạng sóng điện áp

(a)


GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Phạm Khánh Tùng

(b)

Hình 3-3: Chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển với tải a) tải thụ động RL b) tải có
nguồn

Khi Thyristor mở (dẫn điện) điện áp rơi trên điện cảm:

v L  vs  v R  L

did
dt

(3-2)

Trong đó vR – điện áp rơi trên điện trở, vR  R.id
Nếu vs – vR > 0, từ công thức 3-2 có thể thấy dòng điện tải tăng, trường hợp

ngược lại dòng điện tải giảm khi vs – vR < 0.
Dòng điện có thể được xác định theo:

i d (t ) 

1 t
v dx
L  L

(3-3)

Từ biểu thức 3-3, giải theo phương pháp đồ thị ta có thể thấy rằng dòng điện id
= 0 khi diện tích phần A1 và A2 bằng nhau (vs = vR) điều này cho thấy thyristor vẫn
dẫn điện mặc dù vs < 0 (do có điện áp trên L).
Khi tải gồm điện cảm và nguồn áp (điện cảm tích cực) được nối với bộ chỉnh
lưu, như trình bày trên hình 3-3b. Thyristor sẽ mở khi có xung dòng iG vào cực điều
khiển khi vs > Ed. Tương tự như trương hợp R-L, Thyristor vẫn giữ nguyên trạng thái
dẫn cho đến khi A1 = A2. Khi Thyristor tắt (khóa) điện áp trên tải vd = Ed.
3.1.1.2. Chỉnh lưu hai pha nửa sóng
Sơ đồ trên hình 2-13, sử dụng điểm giữa cuộn thứ cấp máy biến áp chia điện áp
thứ cấp thành v1 và v2. Các điện áp này lệch pha 180o, và nhận điểm giữa làm điểm
trung tính. Dòng điện qua các thyristor T1 và T2 vào lúc điện áp tương ứng v1 và v2
dương, khép mạch qua tải và trở về điểm trung tính.


GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Phạm Khánh Tùng

Hình 3-4: Chỉnh lưu hai pha nửa sóng có điều khiển tải R

Như trên sơ đồ trong hình 3-4, Thyristor T1 có thể được bật trong toàn bộ thời
gian khi v1 > 0, xung điều khiển trễ một góc α quyết định thời điểm bật T1. Trạng thái
bật của mỗi Thyristor được thể hiện trên đồ thị hình 3-4. Các van tiếp tục dẫn trong
chu kỳ của mình cho đến khi điện áp ngược xuất hiện trên van.
Giá trị điện áp trên tải được tính theo biểu thức

vdi 

1

V

Vm sin x.dx  m (1  cos )




(3-4)

Dòng điện xoay chiều is bằng iT1(N2/N1) khi T1 dẫn và iT2(N2/N1) khi T2 dẫn,
trong đó N2/N1 là tỉ số vòng dây cuộn thứ cấp và sơ cấp.
Ảnh hưởng của hệ số thời gian tải liên tục TL = L / R với tải bình thường đối với


độ gợn sóng id ( t ) / i R ( t ) / i R khi góc mở α = 0o được thể hiện trên hình 3-5. Độ gợn
sóng của dòng tải giảm khi hệ số thời gian tải liên tục tăng, và nếu L → ∞, dòng điện
được lọc phẳng hoàn toàn.

Hình 3-5: Ảnh hưởng của hằng số thời gian tải liên tục


GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Phạm Khánh Tùng

3.1.1.3. Chỉnh lưu cầu một pha
Điều khiển chỉnh lưu cầu một pha có hai phương án: điều khiển sử dụng 4
Thyristor (hình 3-6a) và bán điều khiển (điều khiển một phần) sử dụng 2 Thyristor và
2 Diode (hình 3-6b).

(b)

(a)

Hình 3-6: Chỉnh lưu cầu một pha a) điều khiển b) bán điều khiển

Dạng sóng điện áp và dòng điện của chỉnh lưu cầu điều khiển với tải điện trở R
được vẽ trên hình 3-6a. Các van T1 và T2 phải được mở đồng thời trong nửa sóng
dương của điện áp vs, dẫn dòng. Tương tự, các van T 3, T4 cũng được mở đồng thời
trong nửa sóng điện áp nguồn âm. Để đảm bảo tính đồng thời bật của các van T1 và T2
người ta dùng chung một dòng kích mở. Điện áp trên tải tương tự như với trương hợp
hai pha nửa sóng đã xét ở trên. Dòng điện xoay chiều:

is  iT1  iT 4

(3-5)

Với dạng sóng được vẽ trên hình 3-7.
Hình 3-8 trình bày dạng sóng dòng và áp của trường hợp chỉnh lưu cầu một pha
điều khiển với tải điện trở và điện cảm (L → ∞). Giá trị điện cảm lớn đảm bảo lọc
phẳng hoàn toàn dòng điện chỉnh lưu tại tải cũng như dòng điện xuay chiều nguồn vào.
Do dòng điện tải liên tục, các Thyristor T 1, T2 vẫn giữ nguyên trạng thái mở mặc dù
nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn vs đã qua. Do nguyên nhân này, điện áp trên tải
vd có thể có giá trị tức thời âm. Việc bật các Thyristor T 3, T4 mang lại 2 kết quả: Tắt
các van T 1, T2; sau khi chuyển mạch T3, T4 dẫn dòng điện tải.
Dòng điện xoay chiều nguồn có dạng xung vuông như trên hình 3-8, trong điều
kiện dòng điện liên tục. Trường hợp đó điện áp trung bình trên tải:

vdi

1  
2V

 Vm sin x.dx  m cos







(3-6)


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Hình 3-7: Dạng sóng dòng, áp của chỉnh lưu cầu một pha điều khiển với tải R

Hình 3-8: Dạng sóng dòng, áp chỉnh lưu cầu một pha điều khiển với tải R-L (L→∞)

3.1.1.4. Phân tích dòng điện nguồn xoay chiều
Xét trường hợp mạch lọc điện cảm có trị số rất cao trong chỉnh lưu cầu một pha
điều khiển, dòng điện nguồn xoay chiều bị lọc và trở thành dạng xung vuông. Ngoài ra
dòng điện is còn bị lệch pha so với điện áp vs một góc α, bằng góc kích mở van công


GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Phạm Khánh Tùng

suất. Dòng điện nguồn xoay chiều có thể biểu diễn theo phân tích Fourier, giá trị của
các bậc hài được xác định:

Is. max(n ) 

4 Id
 n

(3-7)

(n = 1, 3, 5, …)
Trị hiệu dùng của các thành phần hài bậc n:

Is ( n ) 

Is. max(n )
2



2 2 Id
 n

(3-8)

Như vậy trị hiệu dụng thành phần cơ bản:

Is (1) 

2 2



Id  0,9Id

(3-9)

Trên hình 3-9a, ta có thể thấy góc lệch pha của thành phần cơ bản φ1 đúng bằng
góc kích mở α và hình 3-9b là phổ các thành phần sóng hài và chỉ các thành phần bậc
lẻ mới suy giảm biên độ khi tần số tăng.

(a)

(b)

Hình 3-9: Dòng điện nguồn xoay chiều chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển (a) dạng sóng
và (b) phổ các thành phần sóng hài

Trị hiệu dụng của dòng điện nguồn xoay chiều:

Is  I d

(3-10)

Độ méo dạng tổng (THD):

Is2  Is21
THD 
100  48,4%
Is

(3-11)

3.1.1.5. Hệ số công suất của chỉnh lưu
Từ đồ thị hình 2-18a, góc lệch pha giữa dòng và áp của thành phần cơ bản và
góc kích mở van công suất bằng nhau (φ1 = α)

cos1  cos

(3-12)

Công suất tác dụng của dòng điện không sin, được cấp từ nguồn sin một pha:

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Phạm Khánh Tùng

1T
P   vs ( t )is ( t )dt  Vs .Is1 cos1
To

(3-13)

Công suất biểu kiến

S  Vs .Is

(3-14)

Hệ số công suất PF

PF 

P
S

(3-15)

Nếu thay các biểu thức 3-12, 3-13, 3-14 và biểu thức 3-15, ta được

PF 

Is1
cos
Is

(3-16)

Biểu thức này cho thấy, với dòng điện nguồn xoay chiều không sin, hệ số công
suất của chỉnh lưu chịu tác động xấu của cả góc mở α và độ biến dạng méo của dòng
điện nguồn. Kết quả độ biến dạng dòng điện nguồn tăng lên sẽ làm tăng trị hiệu dụng
Is và theo 3-16, giảm hệ số công suất.
3.1.1.6. Quá trình chuyển mạch của Thyristor
Cho tới giờ quá trình chuyển mạch giữa các Thyristor được xem như diễn ra tức
thời. Tuy nhiên điều này lại không xảy ra trong thực tế do tính chất điện cảm của mạch
nguồn như trên hình 3-10a. Trong quá trình chuyển mạch, dòng điện qua các Thyristor
không đổi ngay lập tức, vì thế tồn tại một góc chuyển mạch μ nào đó mà cả 4 thyristor
đồng thời dẫn. Vì thế trong quá trình chuyển mạch hệ quả của hiện tượng đồng dẫn
làm cho điện áp trên tải bằng 0.

vd  0

khi

  t    

(3-17)

Do ảnh hưởng của quá trình chuyển mạch, dạng sóng của dòng, áp nguồn, dòng
tải có dạng như trên hình 3-10b.

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Phạm Khánh Tùng

Hình 3-10: Quá trình chuyển mạch a) sơ đồ b) dạng sóng

Trong quá trình chuyển mạch, điện áp được biểu diễn theo biểu thức

L

dis
 vs  Vm sin t
dt

với

  t    

(3-18)

Lấy tích phân cả hai vế trong thời gian chuyển mạch, ta có:
Id

Vm
di

 s L
I

d

(   ) / 

 sin tdt

(3-19)

 /

Giải phương trình tìm được giá trị μ

cos(   )  cos 

2L
Id
Vm

(3-20)

Biểu thức 3-20 cho thấy nếu tăng điện cảm nguồn hoặc tăng dòng điện tải đều
dẫn đến tăng góc chuyển mạch μ. Ngoài ra, góc chuyển mạch còn bị ảnh hưởng từ góc
kích mở thyristor, biểu thức 3-18 cho thấy với góc kích mở khác nhau thì điện áp
nguồn có giá trị tức thời khác nhau làm cho dis/dt có các giá trị khác nhau dẫn đến thay
đổi thời gian chuyển mạch.
Biểu thức 3-17 và dạng sóng trong hình 3-10b cho thấy quá trình chuyển mạch
làm giảm điện áp trung bình trên tải Vdα. Nếu kể đến chuyển mạch, biểu thức điện áp
tải được tính theo biểu thức

Vd 

1  
V
 sin(t )d(t )  m cos(   )  cos 

  



Thay 3-20 vào 3-21

Vd 

2



Vm cos 

2L



Id

(3-22)

(3-21)

Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

3.1.1.7. Chế độ nghịch lưu
Khi góc kích mở α > 90o, điện áp trung bình trên tải có thể đạt giá trị âm.
Trường hợp này công suất được truyền ngược từ tải sang nguồn xoay chiều. Chế độ
làm việc này được gọi là chế độ nghịch lưu, bởi vì năng lượng được truyền từ phía một
chiều (dc) sang phía xoay chiều (ac). Trong thực tế, chế độ này có thể gặp ở các mạch
mà tải được bố trí như trên hình 3-11a. Cần lưu ý rằng chỉnh lưu chỉ cho phép dòng
điện đi theo một chiều. Trong hình 3-11b là dạng sóng điện áp tải ở chế độ nghịch lưu
khi bỏ qua điện cảm nguồn L.
Phần trước đã giải thích rõ ràng ảnh hưởng của điện cảm nguồn L làm tăng thời
gian chuyển mạch μ. Như trên hình 3-11c, điện áp trên thyristor vT1 sẽ có giá trị âm
trong khoảng γ, được xác định theo biểu thức:

  180  (   )

(3-23)

Để đảm bảo thyristor đóng và phục hồi hoàn toàn tính ngược sau khi chuyển
mạch, góc γ phải thỏa mãn biểu thức:

  .t q

(3-24)

Trong đó ω – tần số nguồn điện và tq – thời gian đóng thyristor.
Nếu như   .t q , thyristor chưa đóng hoàn toàn đã được đặt điện áp thuận sẽ

dẫn. Từ đó góc kích mở lớn nhất có thể áp dụng:

 max 180    

(3-25)

Nếu điều kiện của biểu thức 3-25 không được đáp ứng, quá trình chuyển mạch
không hoàn thành có thể tạo nên dòng điện phá hủy mạch chỉnh lưu.

Hình 3-11: Chỉnh lưu trong chế độ Inverter a) sơ đồ mạch b) dạng sóng khi bỏ qua điện cảm c)
dạng sóng khi có tính tới điện cảm L


GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Phạm Khánh Tùng

3.1.1.8. Các ứng dụng
Ứng dụng quan trọng bậc nhất của chỉnh lưu điều khiển bao gồm thiết bị cấp
nguồn liên tục (uninterruptible power supplies – UPS) dùng cấp nguồn cho các tải
quan trọng. Hình 3-12 mô tả sơ đồ khối đơn giản của UPS, thiết kế với công suất nhỏ
hơn 10kVA. Các bộ chỉnh lưu nguồn (điều khiển hoặc bán điều khiển) tạo nguồn điện
một chiều hoặc phận xạc ắc quy của UPS. Đầu ra của mạch nghịch lưu có bộ phận lọc
trước khi cấp cho tải.

Hình 3-12: Ứng dụng chỉnh lưu có điều khiển trong UPS

Các chế độ làm việc của UPS:
(i) Chế độ bình thường: Trường hợp sử dụng điện áp lưới. Tải được cung cấp từ

nguồn thông qua hệ thống Chỉnh lưu – Nghịch lưu và lọc. Mạch chỉnh lưu xạc ắc qui.
(ii) Chế độ cắt điện: Trường hợp không có điện áp lưới. Tải được cung cấp từ
ắc qui thông qua hệ thống Nghịch lưu và lọc.
(iii) Chế độ Bypass: Trường hợp tải cần công suất lớn hơn công suất cả
Inverter, hệ thống Bypass đóng nguồn trực tiếp đến tải.
Điều khiển động cơ một chiều công suất nhỏ là ứng dụng phổ biến của chỉnh
lưu cóa điều khiển. Trên sơ đồ hình 3-13, thiết bị chỉnh lưu có điều khiển sẽ điều chỉnh
điện áp phần ứng và do đó điều khiển được dòng điện cấp cho động cơ để có được mô
men quay theo yêu cầu.
Cấu trúc này chỉ cho dòng điện đi vào động cơ theo một chiều trong khi điện áp
trên động cơ lại có thể đạt được cả giá trị âm và dương. Chính vì vậy mạch chỉ làm
việc ở hai góc phần tư của hệ trục id và Vdα.


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Hình 3-13: Điều khiển động cơ một chiều hai góc phần tư: (a) sơ đồ mạch
(b) góc phần tư làm việc

Mạch có đặc tính tốt hơn sử dụng 2 bộ chỉnh lưu có điều khiển mắc ngược nhau
với nhánh có động cơ như trên hình 3-14. Cấu trúc này thường được gọi là Inverter và
có thể làm việc ở cả 4 góc phần tư. Bộ chỉnh lưu 1 cấp dòng điện dương, bộ chỉnh lưu
2 cấp dòng điện âm (ngược chiều). Động cơ có thể làm việc ở các chế độ quay thuận
(sinh công), quay thuận (hãm), quay ngược (sinh công) và quay ngược (hãm)

Hình 3-14: Four-quadrant dc drive: (a) circuit and (b) quadrants of operation

3.1.2. Điều chỉnh hệ số công suất chỉnh lưu một pha điều khiển
3.1.2.1. Các vấn đề liên quan đến hệ số công suất
Những nhược điểm chính của chỉnh lưu một pha chuyển mạch: (i) gây nên
chậm pha của dòng với điện áp ảnh hưởng đến công suất hữu ích; (ii) tạo ra lượng
sóng hài nguồn xoay chiều. Làm giảm hệ số công suất và công suất tác dụng. Gần đây,
chỉnh lưu một pha được sử dụng rộng rãi làm tăng các vấn đề chất lượng hệ thống
điện. Ví dụ, trong tòa nhà thương mại có thể có 50% thậm chí 90% số thiết bị không
sử dụng trực tiếp dòng điện xoay chiều mà phải qua bộ chỉnh lưu. Nhiều bộ chỉnh lưu
có hệ số méo dạng tổng dòng điện THDi > 40%, là nguồn gốc gây nên sự quá tải trầm
trọng trên đường truyền và máy biến áp.


GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Phạm Khánh Tùng

Sơ đồ chỉnh lưu một pha với tụ lọc (hình 3-15), được sử dụng rộng rãi trong các
thiết bị công suất thấp. Dòng điện xoay chiều nguồn có dạng như trong hình 3-15b,
trong đó có méo dạng cao do tác động của tụ lọc điện áp. Các sóng hài bậc cao trong
hình 3-16 và bảng 3-1 và hệ số méo dạng THDi = 197%.
Bộ chỉnh lưu trên hình 3-15 có hệ số công suất rất thấp PF = 0,45 do có lượng
lớn sóng hài.

Hình 3-15: Chỉnh lưu một pha a) sơ đồ b) dạng sóng dòng điện xoay chiều nguồn

Hình 3-16: Các thành phần sóng hài của chỉnh lưu cầu một pha

Bảng 3-1: Thành phần sóng hài của dòng điện trong hình 3-16
Bậc

In /I1 [%]

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

96.8 90.5 81.7 71.0 59.3 47.3 35.7 25.4 16.8 10.6

3.1.2.2. Tiêu chuẩn sóng hài bậc cao trong chỉnh lưu một pha
Những vấn đề liên quan có nguồn gốc từ sóng hài của bộ chỉnh lưu một pha
điều khiển thúc đẩy các tổ chức đưa ra những tiêu chuẩn về sóng hài cho các bộ biến
đổi điện năng. Tiêu chuẩn quốc tế IEC 61000-3-2: Class D thiết lập giới hạn cho các

Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

bộ biến đổi một pha công suất thấp bao gồm dòng điện xoay chiều đầu vào theo “dạng
sóng đặc biệt” và công suất tác dụng đầu vào P ≤ 600 W. Thiết bị trong Class D có
dạng sóng dòng điện đầu vào nằm trong giới hạn “envelope” thể hiện trong hình 315b. Những thiết bị nhóm này phải đáp ứng giới hạn sóng hài nhất định, được trình
bày trong hình 3-16. Rõ ràng có thể thấy, sơ đồ chỉnh lưu một pha điều khiển, trong
hình 3-15a, với các thông số không đáp ứng tiêu chuẩn IEC 61000-3-2 Class D. Và để
đáp ứng tiêu chuẩn này chỉ có cách bổ xung thêm bộ phận lọc thụ động đủ lớn, làm
tăng kích thước và giá thành bộ chỉnh lưu. Sự ra đời của tiêu chuẩn này thúc đẩy quá
trình phát triển các phương pháp mới cải thiện và nâng cao chất lượng dòng điện xoay
chiều đầu và đồng thời nâng cao hệ số công suất.
3.1.2.3. Chỉnh lưu tăng áp
Một trong những phương pháp chỉnh lưu nâng cao hệ số công suất quan trọng,
theo quan điểm lý thuyết và thực tế, được gọi là chỉnh lưu một pha tăng áp, thể hiện
trong hình 3-17a, nguyên tắc chỉnh lưu mới được kết hợp từ chỉnh lưu cầu không điều
khiển bổ xung thêm transistor T, diode D và điện cảm L.
a. Nguyên lý làm việc – Các khái niệm cơ bản.
Trong chỉnh lưu tăng áp, dòng điện xoay chiều đầu vào is(t) được điều khiển
thông qua trạng thái dẫn của transistor T. Khi transistor T ở trạng thái dẫn, nguồn điện
xoay chiều khép ngắn mạch qua điện cảm L, như trên hình 3-17b; diode D ngăn không
cho dòng điện xả của tụ lọc C đi qua transistor. Dòng điện trên điện cảm iL được xác
định theo biểu thức

di L v L vs
(3-26)



dt
L
L
Do giá trị điện áp |vs | > 0, khi transistor T được bật (dẫn) luôn kèm theo sự tăng
trưởng dòng điện iL và do đó tăng trị tuyệt đối của dòng điện nguồn is .
Khi transistor T được tắt (không dẫn), dòng điện iL không thể mất ngay và đi
qua diode D, nạp cho tụ C. Dòng điện đang xét thể hiện trong sơ đồ tương đương 317c. Trong trường hợp này dòng điện iL được xác định qua biểu thức:

di L v L vs  v0
(3-27)


dt
L
L
Nếu v0 > |vs |, đây là điều kiện quan trong để hoạt động của bộ chỉnh lưu đúng
chức năng, khi đó |vs | − v0 < 0, và điều này cho thấy khi transistor ngắt, dòng điện
cảm giảm giá trị tức thời.


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Hình 3-17: Chỉnh lưu một pha tăng áp (a) sơ đồ và dòng điện khi T (b) dẫn (c) không dẫn

b. Chế độ dẫn liên tục (Continuous Conduction Mode - CCM)
Với chuỗi xung kích mở thích hợp cho transistor T, dạng sóng của dòng điện
xoay chiều có thể được điều khiển theo dạng hàm sin tương ứng, như ta thấy trong nửa

sóng dương ở hình 3-18a. Trong hình vẽ này là quan hệ giữa dòng điện trên điện cảm
mong muốn, dòng trên điện cảm thực tế và chuỗi xung x ở cực điều khiển transistor T
(T bật khi x = 1 và tắt khi x = 0).

Hình 3-18: Dòng điện iL a) dạng sóng b) tín hiệu điều khiển transitor x

Theo hình 3-18 có thể thấy rõ ràng trạng thái bật (và tắt) của transitor T kéo
theo sự tăng (giảm) dòng điện iL trên điện cảm.
Chú ý rằng với các giá trị vs nhỏ, điện cảm không đủ năng lượng tích trữ để
tăng giá trị dòng điện, chỉnh vì lý do đó độ méo dạng sóng dòng điện như trên hình 318a.
Hình 3-19 giới thiệu cấu trúc sơ đồ khối của hệ thống điều khiển chỉnh lưu tăng
áp, trong đó bao gồm cả khâu điều khiển vi-tích phân (PI) để điều khiển điện áp đầu ra
v0. Giá trị tham chiếu iLref dùng cho vòng điều khiển trong được lấy từ khâu nhân tín
hiệu giữa điện áp khâu điều khiển với giá trị tuyệt đối |vs(t)|. Bộ điều khiển trễ thực


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

hiện điều khiển nhanh dòng i L và kết quả thực tế thu đương dạng sóng dòng điện
nguồn xoay chiều gần tương tự như sóng sin.

Hình 3-19: Hệ thống điều khiển của chỉnh lưu tăng áp

Thông thường, điện áp đầu ra v0 phải lớn hơn biên độ điện áp nguồn vs(t) ít nhất
10%, để đảm bảo điều kiện để có thể điều khiển linh hoạt dòng điện. Khi đó quá trình
điều khiển diễn ra theo chiến thuật sau: tăng giá trị điện áp tham chiếu đầu ra v0.ref làm
tăng sai số (mức lệch) điện áp v0.ref – v0 và làm tăng tín hiệu điều khiển đầu ra khâu PI,

tín hiệu này là nguyên nhân làm tăng biên độ của dòng điện tham chiếu iL.ref. Bộ điều
khiển dòng sẽ bám theo giá trị tham chiếu mới cũng tăng biên độ của sóng sin dòng
điện đầu vào, tăng lượng công suất tác dụng được truyền qua bộ chỉnh lưu và cuối
cùng làm tăng điện áp đầu ra v0.

Hình 3-20: Dạng sóng dòng, áp xoay chiều đầu vào chỉnh lưu tăng áp: (a) không lọc điện áp v0;
(b) có lọc điện áp v0 ; phổ tần số; (c) không lọc; và (d) có lọc

Hình 3-20 là dạng sóng dòng điện và điên áp nguồn vs. Những gợn sóng của
dòng điện có thể được làm nhỏ đi bằng cách rút ngắn độ rộng khoảng trễ δ. Sự cải
thiện này đánh đổi bằng tăng tần số đóng mở, tỉ lệ thuận với tổn hao chuyển mạch của


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

transistor. Đối với một chiều rộng trễ nhất định, trị số điện cảm giảm kéo theo tăng tần
số đóng ngắt. Như ta thấy trên hình, dòng điện xoay chiều cho thành phần hài bậc 3.
Thành phần này do sóng hài bậc 2 có trong điện áp v0 được cấp ngược thông qua khâu
điều khiển (PI) và kết hợp với sóng sin do thành phần bậc 3 của dòng iL.ref. Những
sóng hài nhiễm vào thành phần cơ bản có thể loại bỏ bằng cách lọc điện áp v0, với bộ
lọc thông thấp hoặc bộ lọc chặn trên ở phạm vi 2ωs. Dòng điện xoay chiều đầu vào có
dạng sóng trên hình 3.20b khi thực hiện lọc. Hình 3.20d cho thấy sự kết quả giảm sóng
hài bậc 3.
Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp, sự giảm mạnh ở các thành phần sóng hài
trong dòng điện xoay chiều, có thể thấy trong hình 3-20c và 3-20d. Dòng điện đáp ứng
những giới hạn được thiết lập tại tiêu chuẩn IEC 61000-3-2. Độ méo dạng tổng của
dòng điện trong hình 3-20a chỉ có THD = 7,46% và hình 3-20b là THD = 4,83%.

Trong cả hai trường hợp hệ số công suất đạt giá trị rất cao, vượt quá 0,99.
Trong hình 3.21, cho thấy vòng điều khiển điện áp dc theo bước thay đổi. Với
tải tăng, ở thời điểm t = 0,3 (s), điện áp đầu ra v0 giảm, nhỏ hơn điện áp tham chiếu, sự
giảm điện áp này được bù lại từ sự tăng dòng điện is. Thời điểm t = 0,5 (s), là quá trình
đáp ứng khi tải giảm. Bộ điều khiển điện áp một chiều lại giảm dòng điện xoay chiều
đầu vào để cân bằng công suất tác dụng.

Hình 3-21: Đáp ứng sự thay đổi tải (a) điện áp dầu ra v0; (b) dòng điện xoay chiều is

c) Chế độ dẫn gián đoạn (Discontinuous Conduction Mode - DCM)
Phương pháp điều chỉnh hệ số công suất PFC dựa trên kích hoạt dòng điện theo
dạng sóng định trước. Có hai cách khác nhau để hiện thực phương pháp này: tần số


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

chuyển mạch cố định và tần số chuyển mạch thay đổi. Cả hai cách thức này được thể
hiện trong hình 3-22.
DCM với tần số chuyển mạch cố định
Dạng sóng dòng điện tập hợp từ ba chế độ trong khoảng thời gian một chu kỳ
chuyển mạch Ts . Giai đoạn đầu mỗi chu kỳ (mode 1) BJT được bật dẫn điện, trong
giai đoạn dẫn (hình 3-23a) nguồn được nối tắt khép mạch qua diode chỉnh lưu, điện
cảm L và chuyển mạch boost T. Khi đó dòng điện iL tăng theo tỉ lệ với điện áp tức thời
của nguồn. Như vậy, trong giai đoạn bật, giá trị trung bình của dòng điện tỉ lệ với điện
áp nguồn vs, chính là điều cần thiết để điều chỉnh hệ số công suất.
Khi chuyển mạch được tắt (mode 2), dòng điện chảy đến tải thông qua diode D,
như trong hình 3-23b. Dòng điện tức thời có trị số giảm (cho đến lúc điện áp v0 lớn

hơn biên độ điện áp nguồn) theo tỉ lệ với hiệu sô điện áp nguồn và điện áp tải. Giai
đoạn cuối (mode 3) như trong hình 3-23c, tương ứng với thời gian dòng điện đạt giá trị
0, kết thúc quá trình chuyển mạch Ts.

Hình 3-22: Chế độ dẫn gián đoạn (a) với tần số chuyển mạch cố định; (b) với tần số chuyển
mạch thay đổi.


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Hình 3-23: Sơ đồ tương đương của chế độ tăng áp DCM: (a) Mode 1: BJT bật, iL tăng; (b)
Mode 2: BJT tắt, iL giảm; (c) Mode 3: BJT tắt, iL = 0.

Như vậy, trong chu kỳ điều khiển, có thời giai đoạn dòng điện nguồn không tỉ
lệ với điện áp nguồn, mang đến những méo dạng không mong muốn so với chế độ dẫn
liên tục CCM.
Chu kỳ tác động D = ton /Ts được xác định từ vòng điều khiển theo nhiệm vụ có
được công suất đầu ra mong muốn và hoàn thành chu kì làm việc DCM, có nghĩa dòng
điện đạt giá dạng trị 0 trước khi bắt đầu chu kỳ Ts mới. Nguyên tắc điều khiển có thể
được giải thích trên sơ đồ mạch tương tự (hình 3-24), hoặc mạch số. Thông thường,
chu kỳ tác động được kiểm soát bởi vòng điều khiển chậm, duy trì điện áp đầu ra và
chu kỳ tác động thay đổi trpng phạm vi một nửa chu kỳ nguồn.
Ví dụ về chất lượng điện áp và dòng điện có được khi sử dụng DCM được trình
bày trên hình 3-25.


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Hình 3-24: Tăng áp DCM với tần số chuyển mạch cố định

Hình 3-25: Dạng sóng của Tăng áp DCM: điện áp nguồn vs, xung điều khiển BJT, dòng điện
nguồn is

DCM với tần số chuyển mạch thay đổi
Nguyên lý làm việc giống như đối với loại tần số cố định, sự khác biệt chính ở
đây là không có chế độ (mode 3) do BJT được bật ngay sau khi dòng điện đạt giá trị 0.
Phương pháp này giảm độ méo dạng dòng điện nhưng đổi lại phải thực hiện tần số
chuyển mạch thay đổi (Ts thay đổi) và do đó giảm đặc tính cải thiện sóng hài.
Cả hai phương pháp CCM và DCM đều có được sự cải thiện hệ số công suất.
Phương pháp DCM có hiệu quả hơn khi loại bỏ được các tổn hao khi diode phục hồi
tích chất ngược, tuy nhiên phương pháp này có độ gợn sóng cao, độ méo dạng đáng kể
và thông thường hoàn thành được yêu cầu loại bỏ sóng hài bậc 5. Do đó, chỉnh lưu
tăng áp DCM ở giới hạn ở công suất đến 300W đáp ứng tiêu chuẩn và qui định.
Phương pháp DCM với tần số thay đổi giảm hiệu quả về tiêu chuẩn sóng hài, do dòng
điện được phân bổ trong phổ rộng.


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

d. Cấu trúc cộng hưởng cho chỉnh lưu tăng áp
Một chỉ số quan trong trong điện tử công suất – các tổn hao trong các linh kiện

bán dẫn công suất. Các tổn hao này chia làm hai nhóm chính: tổn hao bán dẫn
(conductin losses) và tổn hao chuyển mạch (switching losses), như trong hình 3-26.
Tổn hao bán dẫn do dòng điện đi qua mặt tiếp giáp, và như vậy tổn hao này
không tránh khỏi. Còn tổn hao chuyển mạch, xuất hiện trong thời điểm thay đổi trạng
thái dẫn điện của các linh kiện, có thể giảm xuống hoặc thậm chí loại bỏ được nếu như
chuyển mạch được thực hiện khi: (a) dòng điện đi qua linh kiện bán dẫn bằng không;
(b) điện áp giữa hai điểm của linh kiện bán dẫn bằng không. Chế độ chuyển mạch trên
được gọi là cộng hưởng.

Hình 3-26: Tổn hao bán dẫn và tổn hao chuyển mạch ở linh kiện chuyển mạch công suất

Chuyển mạch cộng hưởng còn được sử dụng trong chỉnh lưu tăng áp. Để đáp
ứng yêu cầu này, sơ đồ chỉnh lưu tăng áp trong hình 3-17 có một số thay đổi, bằng
cách bổ xung phần tử phản kháng và linh kiện bán dẫn.
Trong hình 3.27 cấu trúc cộng hưởng với dòng điện chuyển mạch bằng không
(zero current switching - ZCS). Như ta thấy, sơ đồ được bổ xung thêm các phần tử:
cuộn cảm (Lr1, Lr2), tụ điện (Cr ), diodes (Dr1, Dr2), và van chuyển mạch (Sr).
Tương tự, trong hình 3-28 cấu trúc công hưởng chuyển mạch với điện áp
chuyển mạch bằng không (zero voltage switching - ZVS). Có bổ xung các phần tử
cuộn cảm (Lr ), tụ điện (Cr ), và van chuyển mạch công suất (Sr ), lưu ý: diode D được
thay bằng hai “diode cộng hưởng” Dr1 và Dr2.
Trong cả hai cấu trúc ZVS hoặc ZCS, điều kiện công hưởng đạt được thông qua
điều khiển van chuyển mạch công suất Sr.


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Hình 3-27: Chỉnh lưu Tăng áp với ZCS

Hình 3-28: Chỉnh lưu Tăng áp với ZVS

e. Chỉnh lưu không cầu tăng áp
Chỉnh lưu tăng áp không cầu được trình bày tại hình 3-29, trong đó cầu diode
được thay thế bằng hai chỉnh lưu tăng áp làm việc tuần tự: (a) khi vs dương, T1 và D1
làm việc như chỉnh lưu tăng áp (hình 3-29b); khi vs âm, T2 và D2 làm việc như chỉnh
lưu tăng áp 2 (hình 3-29c). Cấu trúc này giảm tổn thất chuyển mạch, tuy nhiên đòi hỏi
mạch điều khiển phức tạp hơn.

Hình 3-29: (a) Chỉnh lưu tăng áp không cầu; sơ đồ tương đương khi (b) điện áp vs >0 ; và (c)
điện áp vs < 0


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

3.1.2.4. Chỉnh lưu nhân đôi điện áp PWM
Hình 3-30 so đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp bằng điều chỉnh độ
rộng xung (PWM), sử dụng 2 transistors T1 and T2 và 2 tụ lọc C1 and C2. Các
transistor được điều khiển bật tắt để điều khiển dạng sóng dòng điện nguồn theo điện
áp đầu ra v0. Điện áp rơi trên các tụ điện VC1 and VC2 cần phải cao hơn biên độ điện áp
nguồn vs để thực hiện được các thao tác điều khiển dòng điện nguồn.
Sơ đồ mạch tương đương của bộ chỉnh lưu khi transistor T1 bật, thể hiện trong
hình 3-30b. Khi đó điện áp trên cuộn cảm theo biểu thức:

vL  L

dis
 vs ( t )  vC1  0
dt

(3-28)

Biểu thức 3-28 có nghĩa trong trạng thái dẫn này, giá trị dòng điện is(t) giảm.

Hình 3-30: Chỉnh lưu nhân đôi điện áp: (a) sơ đồ mạch; (b) sơ đồ tương đương khi T 1 bật; (c) sơ
đồ tương đương khi T2 bật

Mặt khác, sơ đồ mạch tương đương khi transistor bật thể hiện trong hình3-30c,
với biểu thức điện áp trên cuộn cảm:

vL  L

dis
 vs ( t )  v C 2  0
dt

(3-29)

Rõ ràng, lúc này giá trị dòng điện is(t) tăng.
Từ đó ta thấy, dạng sóng của dòng điện xoay chiều có thể ddieeeuf khiển được
thông qua bật tắt luân phiên các transistor T1 và T2 giống như quá trình được thể hiện
trong hình 3-18a cho bộ biến đổi chỉnh lưu một pha tăng áp. Hình 3-31 thể hiện sơ đồ
khối của hệ thống chỉnh lưu nhân đôi điện áp, nó rất giống với sơ đồ khối của chiinhr
lưu tăng áp. Dạng mạch này có thể gây nên sự mất cân bằng giữa điện áp trên các tụ
điện VC1 và VC2, ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển. Vấn đề này được giải quyết

bằng cách bổ xung thêm một phần tử cấp tìn hiệu điều khiển tỉ lệ với độ lệch điện áp


GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Phạm Khánh Tùng

trên các tụ. Hình 3-32 thể hiện dạng sóng dòng điện nguồn, biên độ gợn sóng của dòng
này có thể giảm được bằng điều chỉnh bằng đọ rộng thời gian trễ.

Hình 3-31: Hệ thống điều khiển chỉnh lưu nhân đôi điện áp

Hình 3-32: Dạng sóng dòng điện trong chỉnh lưu nhân đôi điện áp

3.1.2.5. Chỉnh lưu cầu PWM
Hình 3-33a vẽ sơ đồ mạch lực của chỉnh lưu điều khiển PWM kết nối theo
mạch cầu, trong đó dùng 4 transistor và diode chống dòng ngược mắc song song để
điều khiển điện áp một chiều v0. Với cách chuyển mạch PWM lưỡng cực, bộ biến đổi
có hai chế độ dẫn: (i) Transistor T1 và T4 bật, T2 và T3 tắt; (ii) Transistor T 2 và T3 bật,
T1 và T4 tắt. Trong cấu trúc này, điện áp đầu ra v0 phải lớn hơn biên độ điện áp xoay
chiều nguồn vs, đảm bảo điều kiện thích hợp điều khiển dòng điện xoay chiều.
Hình 3-33b, mạch điện tương đương khi T1 và T4 bật, khi đó điện áp trên cuộn
cảm được xác định:

vL  L

dis
 vs ( t )  v 0  0
dt

(3-30)

Và dòng điện trên điện cảm is biến đổi giảm.
Hình 3-33c, mạch điện tương đương khi T2 và T3 bật, khi đó điện áp trên điện
ccarm tihnhs theo biểu thức:

vL  L

dis
 vs ( t )  v 0  0
dt

Điều này có nghĩa dòng điện is có giá trị tăng.

(3-31)


Phạm Khánh Tùng

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chương 3: Bộ chỉnh lưu điều khiển

Hình 3-33: Chỉnh lưu một pha PWM kết nối cầu: (a) sơ đồ mạch; (b) sơ đồ tương đương khi T 1
và T4 bật; (c) sơ đồ tương đương khi T 2 và T3 bật; (d) sơ đồ tương đương khi T1 và T3 hoặc T2
và T4 bật; và (e) dạng sóng dòng điện xoay chiều nguồn

Trường hợp cuối cùng, ở hình 3-33d, sơ đồ tương dương khi T1 và T3 hoặc T2
và T4 bật. Lúc đó, điện áp nguồn khép mạch qua cuộn cảm L, và điện áp được tính
theo:

vL  L

dis
 vs ( t )  V0  0
dt

(3-32)

Biểu thức này cho thấy giá trị dòng điện phụ thuộc vào dấu của điện áp vs.
Dạng sóng dòng điện nguồn có thể điều chỉnh bằng cách chuyển mạch thích
hợp giữa T1–T4 hoặc T2–T3, tương tự như ở hình 3-18a cho trường hợp chỉnh lưu một
pha tăng áp. Phương pháp điều khiển giống như trường hợp trong hình 3-31, cho dạng
sơ đồ nhân đôi điện áp. Chất lượng dòng điện xoay chiều nguồn như trong hình 3-32.
Dạng sóng dòng điện xoay chiều được cải thiện đáng kể nếu có sử dụng thêm
chế độ hình 3-33d, với ưu điểm thay thế điều khiển độ trễ dòng điện với điều khiển
tuyến tính và điều khiển PWM ba cấp. Phương pháp này giảm tần số chuyển mạch và
có phổ dòng điện rõ ràng hơn.