Cải thiện nâng cao hiệu suất của bộ nghịch lưu nguồn áp bằng kỹ thuật ARCP

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này do tôi tự nghiên cứu dưới sự hướng dẫn
tận tình của TS. Đỗ Mạnh Cường. Luận văn này có sử dụng những tài liệu được ghi
trong danh mục tài liệu tham khảo!

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2015
Học viên thực hiện


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................................................................................
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................................................................
MỤC LỤC........................................................................................................................................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ .....................................................................................................................................................
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔN HAO TRONG BỘ BIẾN ĐỔI ............................................................................. 2
1.1. Các vấn đề chuyển mạch van trong bộ biến đổi .......................................................................... 2
1.1.1. Chuyển mạch cứng ....................................................................................................................................... 2
1.1.2. Mạch trợ giúp van – Snubber Circuit .......................................................................................... 3
1.2. Tổn hao chuyển mạch trong bộ biến đổi............................................................................................. 6
1.2.1. Nhánh van nghịch lưu chuyển mạch cứng thông thường .......................................... 7
1.2.2. Tổn hao quá trình mở của tranzito .............................................................................................. 10
1.2.3. Tổn hao quá trình khóa của tranzito .......................................................................................... 12
1.3. Kết luận.......................................................................................................................................................................... 15
CHƢƠNG 2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGHỊCH LƢU ARCP ............. 16
2.1. Nguyên lý chuyển mạch mềm ................................................................................................................... 16
2.1.1. Chuyển mạch điện áp không ZVS............................................................................................... 16
2.1.2. Chuyển mạch dòng điện không ZCS ........................................................................................ 17
2.2. Tổng quan về nghịch lưu cộng hưởng ............................................................................................... 18
2.2.1. Hệ thống cộng hưởng liên tục ......................................................................................................... 18

2.2.2. Hệ thống cộng hưởng không liên tục........................................................................................ 23
2.3. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP................................................... 27
2.3.1. Cấu trúc mạch lực nghịch lưu ARCP ....................................................................................... 27
2.3.2. Qúa trình chuyển mạch của nghịch lưu ARCP ................................................................ 28
2.4. Phân tích quá trình cộng hưởng xảy ra trong mạch nghịch lưu ARCP ................ 36
2.4.1. Các phương trình trong quá trình cộng hưởng nghịch lưu ARCP .................. 36
2.4.2. Biểu thức điện áp đầu ra trong quá trình cộng hưởng ............................................... 39
2.4.3. Biểu thức dòng điện cộng hưởng ............................................................................................................ 40


2.5. Kết luận ............................................................................................................................................................................... 42
CHƢƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU ARCP ..................................................................... 43
3.1. Nghịch lưu PWM một pha ........................................................................................................................... 43
3.1.1. Cấu trúc mạch lực của nghịch lưu PWM .............................................................................. 43
3.1.2. Phương pháp điều chế PWM cho nghịch lưu một pha ............................................. 45
3.2. Phương pháp điều khiển nghịch lưu ARCP một pha............................................................ 47
3.2.1. Tính toán thời điểm phát xung ........................................................................................................ 48
3.2.2. Thuật toán điều khiển nghịch lưu ARCP một pha ........................................................ 52
3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng nghịch lưu ARCP một pha............................................... 53
3.3.1. Tính toán các thông số của mạch cộng hưởng ................................................................. 53
3.3.2. Mô hình mô phỏng nghịch lưu ARCP một pha............................................................... 54
3.4. Xây dựng mô hình mô phỏng nghịch lưu ARCP ba pha................................................... 61
3.4.1. Điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha................................................................................. 61
3.4.2. Điều khiển nghịch lưu ARCP ba pha ....................................................................................... 68
3.4.3. Mô hình mô phỏng nghịch lưu ARCP ba pha................................................................... 69
3.5. Kết luận ............................................................................................................................................................................... 73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................................................................ 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................................................... 76
PHỤ LỤC ................................................................................................................................................................................... 78

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ARCP

Auxiliary Resonant Commutated Bộ biến đổi cộng hưởng mạch phụ
Pole Converter

chuyển mạch điểm cực

ACRDCLI Actively Clamped Resonant DC Nghịch lưu cộng hưởng kẹp khâu

PRDCLI

link Invetter

DC

Parallel Resonant DC Link Inverter

Nghịch lưu cộng hưởng song song
khâu DC

RPI

Resonant Pole Inverter

Nghịch lưu cộng hưởng điểm cực

SRC

Series Resonant Converter

Bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp

PRC

Parallel Resonant Converter

Bộ biến đổi cộng hưởng song song

ZVS

Zero Voltage Switching

Chuyển mạch điện áp không

ZCS

Zero Current Switching

Chuyển mạch dòng điện không

PWM

Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

SVM

Space Vector Modulation

Điều chế vectơ không gian

DC

Direct Current

Dòng điện một chiều

AC

Alternating Current

Dòng điện xoay chiều

BBĐ

Bộ biến đổi


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Quá trình chuyển mạch cứng ............................................................................................................... 2
Hình 1.2. Dạng xung điện áp và dòng điện khi chuyển mạch ......................................................... 3
Hình 1.3. Mạch trợ giúp van RC ................................................................................................................................ 4
Hình 1.4. Mạch trợ giúp van RCD............................................................................................................................ 5
Hình 1.5. Đường quỹ đạo đóng cắt của van bán dẫn công suất...................................................... 6
Hình 1.6. Nghịch lưu nửa cầu sử dụng BJT ..................................................................................................... 7

Hình 1.7. Đồ thị sự phụ thuộc của ICtheo VCE khi IB là hằng số .................................................... 9
Hình 1.8. Dạng dòng, áp và tổn hao khi mở của một BJT [1] ...................................................... 11
Hình 1.9. Dạng áp, dòng và tổn hao khi khóa của một BJT [1] .................................................. 13
Hình 2.1. Quá trình chuyển mạch ZVS ............................................................................................................. 17
Hình 2.2. Quá trình chuyển mạch ZCS ............................................................................................................. 17
Hình 2.3. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng khâu AC ................................................................................. 19
Hình 2.4.Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng khâu DC .................................................................................. 21
Hình 2.5. Nghịch lưu cộng hưởng ACRDCLI ............................................................................................ 23
Hình 2.6. Nghịch lưu cộng hưởng điểm cực và dạng sóng đầu ra ............................................ 24
Hình 2.7. Nghịch lưu điểm cực một pha cùng lọc đầu ra.................................................................. 25
Hình 2.8. Nghịch lưu điểm cực ba pha .............................................................................................................. 25
Hình 2.9. Hai sơ đồ cơ bản mạch nghịch lưu PRDCLI....................................................................... 26
Hình 2.10. Cấu trúc mạch lực nghịch lưu ARCP ..................................................................................... 27
Hình 2.11. Giai đoạn ban đầu..................................................................................................................................... 29
Hình 2.12. Giai đoạn trước nạp ................................................................................................................................ 29
Hình 2.13. Giai đoạn nạp tăng dòng trên ......................................................................................................... 30
Hình 2.14. Giai đoạn cộng hưởng trên ............................................................................................................... 31
Hình 2.15. Giai đoạn bật van S1 .............................................................................................................................. 32
Hình 2.16. Giai đoạn giảm dòng.............................................................................................................................. 32
Hình 2.17. Giai đoạn ngắt mạch cộng hưởng .............................................................................................. 33


Hình 2.18. Dạng sóng dòng cộng hưởng và điện áp đầu ra giai đoạn cộng hưởng
dòng trên........................................................................................................................................................................................ 33
Hình 2.19. Giai đoạn ổn định ..................................................................................................................................... 34
Hình 2.20. Giai đoạn tăng dòng dưới .................................................................................................................. 34
Hình 2.21. Giai đoạn cộng hưởng dưới ............................................................................................................. 35
Hình 2.22. Giai đoạn bật van S2 .............................................................................................................................. 35
Hình 2.23. Giai đoạn hoàn thành............................................................................................................................. 36
Hình 2.24. Dạng sóng dòng cộng hưởng và điện áp đầu ra giai đoạn cộng hưởng

dòng dưới ...................................................................................................................................................................................... 36
Hình 2.25. Mô hình tương đương nghịch lưu ARCP trong giai đoạn cộng hưởng ..37
Hình 3.1. Cấu trúc nghịch lưu PWM ................................................................................................................... 43
Hình 3.2. Dạng điện áp và dòng điện của nghịch lưu........................................................................... 44
Hình 3.3. Hoạt động của bộ PWM ........................................................................................................................ 45
Hình 3.4. Thời gian chết  giữa các van V1,V4........................................................................................ 47
Hình 3.5. Chu kỳ chuyển mạch của nghịch lưu ARCP ....................................................................... 48
Hình 3.6. Thuật toán phát xung điều khiển nghịch lưu ARCP một pha .............................. 53
Hình 3.7. Mô hình mô phỏng điều khiển nghịch lưu PWM một pha ..................................... 55
Hình 3.8. Mô hình mô phỏng điều khiển nghịch lưu ARCP một pha.................................... 55
Hình 3.9. Mô hình mô phỏng mạch lực nghịch lưu ARCP ............................................................. 56
Hình 3.10. Mô hình khâu chuyển mạch mềm .............................................................................................. 56
Hình 3.11. Chuyển mạch của các bộ nghịch lưu: ..................................................................................... 57
Hình 3.13. Chuyển mạch van phụ nghịch lưu ARCP ........................................................................... 58
Hình 3.14. Dòng điện và điện áp trên tải: ....................................................................................................... 59
Hình 3.15. Dòng cộng hưởng và điện áp ra trong hai trường hợp ............................................ 59
Hình 3.16. Phân tích phổ sóng hài điện áp đầu ra.................................................................................... 60
Hình 3.17. Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha ............................................................................................ 61
Hình 3.18. Sơ đồ tương đương mạch tải ứng với các khoảng dẫn của van. ..................... 62
Hình 3.19. Dạng tín hiệu điều khiển các van và dạng dòng điện, điện áp trên các
phần tử trong sơ đồ nghịch lưu nguồn áp ba pha ...................................................................................... 63
Hình 3.20. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển PWM nghịch lưu áp ba pha. ......................... 64


Hình 3.21. Sơ đồ nghịch lưu ba pha như ba sơ đồ nửa cầu. ........................................................... 64
Hình 3.22. Dạng xung điện áp của nghịch lưu ba pha ......................................................................... 66
Hình 3.23. Dạng tín hiệu điều khiển và dạng điện áp ra trong PWM ba pha.................. 67
Hình 3.24. Cấu trúc mạch lực nghịch lưu ARCP ba pha ................................................................... 68
Hình 3.25. Cáu trúc điều khiển nghịch lưu ARCP ba pha................................................................ 69
Hình 3.26. Mô hình mô phỏng nghịch lưu ARCP ba pha................................................................. 70

Hình 3.27. Cấu trúc mô hình mô phỏng mạch lực nghịch lưu ba pha ARCP ................. 70
Hình 3.28. Thuật toán phát xung chuyển mạch mềm nghịch lưu ARCP ba pha.......... 71
Hình 3.29. Thuật toán điều chế PWM ba pha.............................................................................................. 71
Hình 3.30. Điện áp ba pha trên tải đầu ra nghịch lưu ARCP ......................................................... 72
Hình 3.31. Dòng điện ba pha trên tải đầu ra nghịch lưu ARCP .................................................. 72


LỜI MỞ ĐẦU
Nghịch lưu thông thường sử dụng thuật toán PWM để chuyển mạch các van bán
dẫn ở các điều kiện dòng điện và điện áp khác không gây ra những tổn hao trong
chuyển mạch đặc biệt khi tần số chuyển mạch lớn và ở công suất lớn. Để làm giảm tổn
hao trong trường hợp này người ta thường sử dụng các mạch cộng hưởng để cưỡng bức
chuyển mạch van ở các điều kiện điện áp bằng không hoặc dòng điện bằng không gọi
là phương pháp chuyển mạch mềm. Có rất nhiều bộ biến đổi sử dụng nguyên lý chuyển
mạch mềm để giảm tổn thất chuyển mạch van, trong đó đáng chú ý là nghịch lưu
ARCP.
Nghịch lưu ARCP được phát triển bởi General Electric Corporation được sử
dụng trong các biến tần có hiệu suất cao . Bằng cách tăng hiệu suất của biến tần, không
chỉ làm giảm tổn hao công suất trong các biến tần, mà còn làm kích thước và khối
lượng của biến tần được giảm đáng kể. Điều này làm cho công nghệ chuyển mạch
ARCP rất hữu dụng trong các ứng dụng công suất lớn đã được hạn chế kích thước.
Mục đích của luận văn “ Cải thiện nâng cao hiệu suất của bộ nghịch lưu
nguồn áp bằng kỹ thuật ARCP (Auxiliary Resonant Commutated Pole)‟‟ là phân
tích cấu trúc cơ bản và phương pháp điều khiển nghịch lưu ARCP từ đó có thể thay
thế các mạch nghịch lưu thông thường trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao,
công suất lớn. Luận văn được chia làm ba chương:
Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi
Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP
Chương 3: Điều khiển nghịch lưu ARCP
Để hoàn thành luận văn này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Đỗ Mạnh

Cường, người đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi
xin cảm ơn các thầy cô, Bộ môn, Viện Điện đã giảng dạy, tạo điều kiện cho tôi
trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường.
Hà Nội ng y 10 th ng 10 năm 2015
H c

1

n

c

n


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi

CHƢƠNG 1
TỔN HAO TRONG BỘ BIẾN ĐỔI
1.1. Các vấn đề chuyển mạch van trong bộ biến đổi
1.1.1. Chuyển mạch cứng
trình chuyển mạch van trong các bộ biến đổi (BBĐ) xung truyền thống được
thể hiện như hình 1.1.

Hình 1.1. Quá trình chuyển mạch cứng
Do dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức thay đổi nên tại thời
điểm đóng cắt, trên van tồn tại cả điện áp và dòng điện khá lớn gây ra tổn hao đóng
cắt. Tổn hao này phụ thuộc vào tần số chuyển mạch nên khi tần số tăng cao, tổn hao
chuyển mạch sẽ tăng đáng kể. Điều này làm giới hạn tần số làm việc của BBĐ xung
truyền thống ( 100kHz) . Mặt khác, do tồn tại các thành phần điện cảm rò và tụ ký

sinh trong mạch nên ở điều kiện chuyển mạch cứng (hard switch), các van bán dẫn
phải chịu các xung dao động của dòng điện và điện áp như hình 1.2.
Chính các xung dao động này là nguyên nhân gây ra hiện tượng nhiễu trường
điện từ EMI trong mạch, ngoài ra các xung đỉnh này có giá trị lớn còn có thể phá
hỏng van bán dẫn công suất của mạch.

2


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi

Hình 1.2. Dạng xung điện áp và dòng điện khi chuyển mạch
a) Dạng xung lý thuyết
b) Dạng xung thực tế
Để khắc phục hiện tượng trên các mạch phụ trợ (snubber circuit) được thêm
vào trong mạch.
1.1.2. Mạch trợ giúp van – Snubber Circuit
Mạch trợ giúp van là những mạch được nối thêm vào bên cạnh van để bảo vệ
và tăng hiệu quả làm việc của van. Mạch trợ giúp có thể mang lại nhiều khả năng
cho van:
- Giảm hoặc triệt tiêu các xung quá áp hoặc quá dòng.
- Hạn chế du hoặc di .
dt

dt

- Đưa điểm làm việc của van về vùng làm việc an toàn SOA.
- Truyền năng lượng phát nhiệt của van sang điện trở hoặc sang hướng khác
có lợi.
- Giảm tổn hao công suất trong quá trình đóng cắt.

- Giảm nhiễu trường điện từ do dập tắt nhanh các dao động dòng và áp.
Có nhiều loại mạch trợ giúp van nhưng phổ biến nhất là hai loại: Mạch RC
(trở - tụ) và mạch RCD (trở - tụ - diot)

3


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi
a) Mạch trợ giúp van RC
Mạch trợ giúp van RC gồm điện trở Rs và tụ Cs mắc song song với van như
hình 1.3.

Hình 1.3. Mạch trợ giúp van RC
Điện trở Rs được chọn sao cho I 0 

E0
. Như vậy khi van khóa, dòng có thể
Rs

chuyển sang mạch trợ giúp mà điện áp trên van không thể vượt quá E0 . Sau đó khi
van dẫn dòng, năng lượng tích trên tụ được phóng và tiêu tán trên điện trở Rs. Tụ
điện Cs được lựa chọn sao cho dao động sinh ra khi chuyển mạch là tắt dần.Muốn
vậy phải chọn tụ Cs ít nhất bằng hai lần tụ ký sinh Cp.
Ví dụ: với MOSFET IRF540N có các thông số I 0  1A, E0  12V ,
C p  Coss  250 pF

tần số chuyển mạch

Cs  2C p  500 pF , Rs 

f s  100kHz thì ta có thể chọn

E0
 12.
I0

Công suất tiêu t n trên điện trở Rs là:
PR  Cs E0 f s  500.1012.122.100.103  7, 2mW
s

Cách tính nêu trên chỉ là phương pháp giúp thiết kế nhanh một mạch trợ giúp
RC đơn giản. Trong quá trình làm việc ta phải hiệu chỉnh các giá trị RC bằng thực
nghiệm.

4


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi
Trong mạch trợ giúp RC, khi van mở ra, tụ Cs phóng điện qua điện trở Rs
qua van. Dòng điện này có thể có đỉnh khá lớn, tuy nhiên thời gian rất ngắn nên
không nguy hại nhiều về phát nhiệt trên van. Nhưng dòng điện phóng của tụ gây
phức tạp cho vấn đề hạn chế tốc độ tăng dòng di/dt và làm tăng thời gian mở của
van. Mạch trợ giúp RCD sau có khả năng khắc phục nhược điểm này.
b) Mạch trợ giúp van RCD
Mạch trợ giúp van RCD có thêm diot Ds mắc song song với điện trở Rs như
hình 1.4.

Hình 1.4. Mạch trợ giúp van RCD
Trong mạch trợ giúp RCD, tụ vẫn phóng điện qua trở khi van mở nhưng giá
trị của trở không tham gia vào vấn đề giảm xung điện áp đỉnh trên van nên giá trị có

thể chọn một cách linh hoạt hơn. Mạch RCD có ưu điểm hơn mạch RC như sau:
- Mạch cho phép suy giảm điện áp đỉnh và làm giảm tổn thất đóng cắt của
van cũng như tổn thất trên mạch trợ giúp.
- Cho phép van làm việc trong vùng an toàn SOA tốt nhất.
Tuy nhiên, dòng nạp qua tụ lấy thẳng qua diot không phải là giá trị tối ưu
nên quá điện áp trên van sẽ lớn hơn so với sơ đồ RC.
Với cùng giá trị R và C, mạch trợ giúp RCD có U van  10V trong khi với
mạch RC thì U van  7.8V . Như vậy các xung dao động điện áp và dòng điện trên
van được chuyển sang tiêu tán bớt trên các mạch trợ giúp chứ không phải được triệt
tiêu hoàn toàn. Hình vẽ sau đánh giá tương quan tổn hao giữa các chuyển mạch.
5


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi

Hình 1.5. Đường quỹ đạo đóng cắt của van bán dẫn công suất
Từ hình vẽ 1.5, rõ ràng mạch trợ giúp snubber chỉ làm mềm hơn quá trình
chuyển mạch của van nhưng hiệu quả vẫn không đáng kể vì van vẫn phải đóng cắt
dưới điều kiện dòng và áp khá cao.

1.2. Tổn hao chuyển mạch trong bộ biến đổi
Trong các BBĐ điện tử công suất, việc nâng cao hiệu suất của các BBĐ có ý
nghĩa rất quan trọng.Để nâng cao hiệu suất BBĐ ta phải tìm cách giảm tối thiểu tổn
hao trên các phần tử bán dẫn trong mạch (tổn hao trên các van). Tổn hao trên van
trong quá trình làm việc gồm có các thành phần sau:
 Tổn hao trong chế độ tĩnh, đang dẫn dòng hoặc đang khóa: khi phần tử
đang trong chế độ dẫn dòng hoặc đang khóa, tổn hao công suất bằng tích của dòng
điện qua phần tử với điện áp rơi trên nó. Khi phần tử đang khóa, điện áp rơi trên nó
có thể lớn nhưng dòng rò qua van sẽ có giá trị rất nhỏ, vì vậy tổn hao này có thể bỏ
qua. Tổn hao công suất trong chế độ tĩnh chủ yếu sinh ra khi van dẫn dòng. Với đa

số các phần tử bán dẫn, điện áp rơi trên van thường không đổi, ít phụ thuộc vào giá
trị dòng điện chạy qua. Như vậy có thể dễ dàng xác định được tổn hao công suất

6


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi
trong trạng thái van dẫn. Ngày nay với công nghệ chế tạo bán dẫn ngày càng hiện
đại, ta đã chế tạo ra các van bán dẫn có điện áp rơi khi dẫn rất nhỏ.


Tổn hao trong quá trình đóng cắt: Trong quá trình đóng cắt, công suất

tổn hao tức thời có thể có giá trị lớn vì dòng điện và điện áp trên van đều có thể có
giá trị lớn đồng thời. Thời gian đóng cắt chỉ chiếm một phần nhỏ trong cả chu kì
hoạt động của phần tử nên tổn hao công suất trong chế độ đóng cắt chi chiếm một
phần nhỏ trong công suất tổn hao trung bình. Tuy nhiên khi phần tử làm việc với tần
số đóng cắt cao thì tổn hao công suất lại chiếm một phần chính trong công suất phát
nhiệt. Trong các bộ nghịch lưu các van phải làm việc với tần số cao (cỡ kHz) nên
việc giảm thiểu tổn hao đóng cắt cho các van là cần thiết để nâng cao hiệu suất của
bộ biến đổi đặc biệt khi làm việc ở mức điện áp cao.
1.2.1. Nhánh van nghịc lƣu c uyển mạch cứng

ông

ƣờng

Mạch hiển thị trong hình 1.6 là một ví dụ nhánh van nghịch lưu chuyển mạch
cứng. Trong mạch này, các tranzito được sử dụng như là các van chuyển mạch. Mặc
dù tranzito được thể hiện trong hình này, nhưng trong thực tế ta thường dùng các

van như MOSFET, IGBT.

Hình 1.6. Nghịch lưu nửa cầu sử dụng BJT
7


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi
Trong mạch thể hiện trong hình 1.6, các cực dương và âm của điện áp một
chiều được kí hiệu + Vdc và - Vdc. Các tranzito kí hiệu là Q1 và Q2 với dòng thu
tương ứng ký hiệu là IC1 và IC2. Các dòng cực nền IB1 và IB2 được điều khiển bởi
các nguồn dòng độc lập, sẽ xác định trạng thái các tranzito khóa hoặc dẫn. Nếu IB =
0, tranzito khóa. Hệ số khuếch đại của tranzito β được xác định bằng tỉ lệ dòng cực
thu IC và dòng cực nền IB:  

IC
, lúc này tranzito hoạt động ở chế độ tuyến tính (có
IB

khả năng khuếch đại dòng điện). Nếu I B 

Ic



, hay Ib  kbh

Ic



với kbh =1,2 đến 1,5

gọi là hệ số bão hòa thì tranzito làm việc ở chế độ bão hòa (IC< Imax và IB = Imax/β),
lúc này tranzito như một khóa điện tử, có khả năng đóng cắt dòng điện. Trong các
mạch nghịch lưu thì tranzito làm việc ở chế độ bão hòa. Đồ thị mối quan hệ giữa IC
và VCE khi IB =constant ở hình 1.7 . Từ đồ thị ta thấy nếu dòng tải < Imax thì điện áp
rơi trên tranzito nhỏ hơn VCE,sat = 2V với tranzito điện áp cao. Do đó điện áp tải khi
tranzito dẫn là:
Vload  Vdc  VCE ,sat

Nếu

Vdc

(1.1)

VCE ,sat thì Vload  Vdc

(1.2)

Phương trình (1.2) áp dụng khi tranzito Q1 dẫn và dòng tải dương. Nếu dòng
tải âm và Q2 khóa, dòng lúc này sẽ đi qua diot D1, trong trường hợp này:

Vload  Vdc  VD1

(1.3)
Thông thường: VD  1V

Vdc , do đó Vload  Vdc
(1.4)

Ta thấy rằng điện áp ra nghịch lưu bằng Vdc khi Q1 dẫn hoặc khi Q2 khóa và
dòng tải âm.

8


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi

Hình 1.7. Đồ thị sự phụ thuộc của IC theo VCE khi IB là hằng số
Nếu Q2 dẫn và dòng tải âm:

Do đó:

Vload  VCE ,sat  Vdc

(1.5)

Vload  Vdc

(1.6)

Nếu Q1 khóa và dòng tải dương, dòng tải sẽ chảy qua diot D2.
Khi đó:

Vload  VD 2  Vdc

(1.7)

 Vload  Vdc

(1.8)

Vì thế khi Q2 dẫn hoặc Q1 khóa và dòng tải dương thì điện áp ra của nghịch
lưu sẽ bằng –Vdc.
Như vậy chuyển mạch cứng của một nhánh van nghịch lưu gồm 4 trạng thái:
Q1 dẫn với dòng tải dương, Q2 khóa với dòng tải âm, Q2 dẫn với dòng tải âm, Q1
khóa với dòng tải dương. Trong mỗi trạng thái, dòng tải chảy qua một trong bốn
phần tử của nhánh van. Với sự dẫn dòng qua các phần tử này, sẽ gây nên các tổn
hao công suất. Tổn hao công suất dẫn trong mỗi trạng thái được tính bằng tích của

9


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi
dòng tải và điện áp rơi trên phần tử bán dẫn. Khi Q1 dẫn và dòng tải dương, tổn hao
công suất là:
PQ1,con  iload .VCE ,sat

(1.9)

Với Q2 khóa và dòng tải âm, dòng lúc này chảy qua Điôt D1 nên tổn hao
công suất là:
PD1,con  iload .VD1

(1.10)

Trạng thái 3: Q2 dẫn, dòng tải âm:
PQ 2,con  iload .VCE , sat

(1.11)

Trạng thái 4: Q1 khóa, dòng tải dương và chảy qua D2:
PD 2,con  iload .VD 2

(1.12)

1.2.2. Tổn hao quá trình mở của tranzito
Trong phần này, cả hai trường hợp về tổn hao chuyển mạch được phân tích.
Cả hai trường hợp, điện áp tải đều chuyển từ cực âm –Vdc đến cực dương +Vdc
nguồn một chiều. Trường hợp thứ nhất, dòng tải dương, trường hợp thứ hai dòng tải
âm. Cả hai ví dụ tải có tính chất điện cảm, do đó dòng tải về cơ bản không đổi trong
toàn bộ thời gian chuyển mạch.
Giả sử rằng, đầu tiên tải được nối với cực âm -Vdc của nguồn một chiều (Q2
dẫn và Q1 khóa) và dòng tải là dương. Mặc dù Q2 đã mở nhưng dòng vẫn chảy qua
diot D2 do đó sinh ra một tổn hao dẫn nhỏ trên D2:
ED 2   PD 2 dt  VD 2  iload dt

(1.13)

Vì dòng chảy qua diot D2 nên trên Q2 không có tổn hao dẫn. Do đó tổn hao
ban đầu ở trạng thái này của nhánh van là tổn hao dẫn trên diot.
Khi bắt đầu quá trình chuyển mạch, Q2 được khóa lại và sau một khoảng
thời gian trễ ngắn, tranzito Q1 sẽ được mở. Vì tranzito Q2 khóa với dòng chảy qua
bằng 0 nên không có một tổn hao nào sinh ra trong quá trình khóa của Q2. Tuy
nhiên khi Q1 được điều khiển mở, dòng tải cũng không lập tức chuyển từ diot D2
10


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi

sang Q1 mà dòng qua Q1 sẽ tăng dần thay thế cho dòng qua diot D2. Sự tăng của
dòng IC1 có thể quan sát ở hình 1.8. Trong khoảng thời gian này, cả diot D2 và
tranzito Q1 đều dẫn. Tuy nhiên với D2 dẫn, điện áp tải vẫn được nối với cực âm Vdc. Điều này dẫn đến điện áp một chiều đặt lên Q1 trong khi dòng chảy qua Q1.
Do đó sinh một lượng lớn tổn hao công suất trên Q1 trong giai đoạn này của quá
trình chuyển mạch. Hình 1.8 cho thấy khi dòng IC1 tăng, điện áp VCE1 không đổi.
Kết quả là tổn hao công suất trên Q1 trong khoảng thời gian này coi gần đúng là
một đường thẳng tăng đến Pmax. Tuy nhiên vì dòng cũng chảy qua diot D2 nên một
tổn hao được sinh ra bởi một phần dòng tải chảy qua D2.
Khoảng thời gian thứ hai của tổn thất lớn bắt đầu khi dòng IC1 thay thế hoàn
toàn dòng qua D2 và điện áp tải chuyển từ cực âm -Vdc sang cực dương +Vdc của
nguồn một chiều. Trong khoảng này, toàn bộ dòng tải chảy qua Q1. Tích của dòng
qua Q1 và điện áp là lớn và coi gần đúng là một đường thẳng từ Pmax đến Pcon.
2Vdc
VCE1

iload
IC1

PQ1

Hình 1.8. Dạng dòng, áp và tổn hao khi mở của một BJT [1]

11


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi
Tổn hao năng lượng liên quan đến quá trình mở Q1 là toàn bộ tổn hao công
suất trong khi mở. Tổn hao này chia làm hai phần: tổn hao trên Q1 và tổn hao dẫn
trên D2 trong quá trình chuyển mạch. Tổn hao năng lượng trên Q1 gần đúng là
vùng tam giác trên đồ thị tổn hao (hình 1.8)

1
1
EQ1,turnon  Pmax tr  (2Vdciload )tr
2
2

(1.14)

Thời gian hoàn thành quá trình chuyển mạch gọi là tr, dòng chảy qua D2
trong quá trình chuyển mạch là:
I D 2  iload  I C1

(1.15)

Dòng qua diot xấp xỉ là một đường thẳng giảm từ giá trị iload về 0 trong
khoảng thời gian tr/2. Do đó tổn hao năng lượng liên quan đến sự dẫn của dòng qua
diot trong quá trình chuyển mạch của dòng tải được tính bằng:

1
1
ED 2,turnon  ( iload )VD 2 ( tr )
2
2

(1.16)

Tổng tổn hao khi mở là:

1

1
1
Eturnon  (2Vdciload )tr  ( iload )VD 2 ( tr )
2
2
2

(1.17)

Khi điện áp tải đạt đến điện thế dương +Vdc nguồn một chiều, quá trình
chuyển mạch hoàn tất. Lúc này tổn hao chỉ còn là tổn hao dẫn trên Q1, tổn hao này
không đáng kể vì điện áp VCE1 lúc này chỉ còn là VCE,sat do Q1 đang ở vùng bão hòa.
Tổn hao dẫn trên Q1 được tính bằng:
EQ1,con   Pcon dt  VCE , sat  iload dt

(1.18)

1.2.3. Tổn hao quá trình khóa của tranzito
Giả sử dòng tải lúc đầu âm và điện áp tải chuyển từ cực âm –Vdc sang cực
dương +Vdc. Với dòng tải âm và điện áp ải lúc đầu được nối với cực âm, tranzito Q2
dẫn dòng tải, tổn hao lúc đầu là tổn hao dẫn của Q2. Tổn hao năng lượng dẫn cho
Q2 là:

12


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi
EQ 2,con 

P

Q2

dt  VCE , sat  iload dt

(1.19)

Tổn hao năng lượng có dấu âm vì trong thời gian này dòng tải âm, mà tổn
hao luôn coi là dương. Dòng IC2, điện áp VCE2 và tổn hao dẫn trên Q2 được biểu
diễn ở hình 1.9.
Để chuyển mạch điện áp đầu ra, tranzito Q2 được khóa lại và sau một
khoảng thời gian trễ ngắn tranzito Q1 mở. Tuy nhiên trong thực tế dòng IC2 không
giảm ngay, trong khi đó điện áp VCE2 bắt đầu tăng. Điều này là do tính chất điện
cảm của tải, dòng IC2 không đổi cho đến khi điện áp VCE2 tăng lên bằng 2Vdc. Do
đó trong khoảng thời gian này có một tổn hao đáng kể trên Q2 gây ra bởi dòng IC2
và điện áp VCE2. Sự tăng của VCE2 trong khi IC2 không đổi được biểu diễn trên hình
1.9.

2Vdc
VCE2

iload
IC2

PC2

Hình 1.9. Dạng áp, dòng và tổn hao khi khóa của một BJT [1]
Khi VCE2 = 2Vdc diot D1 bắt đầu được phân cực thuận và có một phần dòng
tải chảy qua. Sự chuyển mạch này của dòng tải từ Q2 sang D1 làm cho dòng IC2

13


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi
giảm. Trong quá trình giảm này vẫn còn một lượng tổn hao công suất đáng kể trên
Q2. Ngoài ra cũng có một tổn hao nhỏ trên diot D1 gây bởi dòng chảy qua nó.
Tổn hao công suất liên quan đến quá trình khóa của Q2 là tổng tổn hao trên
Q2 và tổn hao dẫn trên D1 trong quá trình chuyển mạch của dòng tải từ Q2 đến D1.
Tổn hao năng lượng trên Q2 xấp xỉ bằng vùng tam giác trong đồ thị tổn hao (hình
1.9) với tc là thời gian chuyển mạch.

1
1
EQ 2,turnoff  ( Pmax .tc )   (2Vdc .iload ).tc
2
2

(1.20)

Dòng qua diot D1 có thể được tính bằng:

I D1  I C1  iload

(1.21)

Với dòng tải âm và dòng IC1 đi từ giá trị -iload đến 0, dòng qua diot D1 có thể
được xấp xỉ bằng một đường thẳng đi từ 0 đến iload. Do đó tổn hao dẫn liên quan tới
sự chuyển mạch của dòng tải có thể được xấp xỉ bằng tích của dòng trung bình qua
điôt với điện áp rơi trên điôt phân cực thuận và thời gian chuyển mạch, ½ tc.

1
1
ED1,turnoff  ( iload ).VD1.( tc )
2
2

(1.22)

Tổng tổn hao quá trình khóa là:

1
1
1
Eturnoff  EQ 2,turnoff  ED1,turnoff   (2Vdciload )tc  ( iload )VD1 ( tc ) (1.23)
2
2
2
Khi toàn bộ dòng tải dẫn qua D1, sự chuyển mạch của dòng tải từ Q2 đến D1
hoàn thành.Tổn hao chuyển mạch trong trạng thái cuối này của trình tự chuyển
mạch là tổn hao liên quan đến diot D1. Tổn hao dẫn với D1 là:
ED1,con   PD1dt  VD1  iload dt

14

(1.24)


Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi

1.3. Kết luận

Quá trình chuyển mạch van xảy ra tổn hao là do các van chuyển mạch ở
những điều kiện dòng điện và điện áp khác không. Mặc dù có thể sử dụng các mạch
trợ giúp nhưng tổn hao chuyển mạch không giảm đáng kể. Trong chương một đã đi
phân tích chi tiết tổn hao quá trình chuyển mạch xảy ra trong một bộ nghịch lưu
thông thường, quá trình chuyển mạch ở những bộ nghịch lưu loại này hoàn toàn xảy
ra ở thời điểm điện áp và dòng điện khác không vì vậy để giảm tổn hao quá trình
chuyển mạch một cách tự nhiên là phải cho các van chuyển mạch ở những thời
điểm dòng điện và điện áp về không. Chương hai sẽ đi phân tích quá trình làm cách
nào để các van chuyển mạch tại thời điểm dòng điện và điện áp bằng không và ứng
dụng vào trong các bộ nghịch lưu.

15


Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP

CHƢƠNG 2
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGHỊCH LƢU ARCP
2.1. Nguyên lý chuyển mạch mềm
Quá trình chuyển mạch mềm được chia làm hai loại:
- Chuyển mạch điện áp không ZVS (zero voltage switching)
- Chuyển mạch dòng điện không ZCS (zero current switching)
Hai quá trình này không thể xảy ra đồng thời, mỗi loại có ưu và nhược điểm
riêng. Chúng ta sẽ làm rõ hơn về các quá trình này ngay sau đây.
2.1.1. Chuyển mạc đ n áp không ZVS
Nguyên nhân gây ra tổn hao đóng cắt trên van chính là do dòng điện và điện
áp trên van có giá trị lớn tại thời điểm chuyển mạch. Vậy nếu ta bằng một cách nào
đó, làm cho điện áp trên van rất nhỏ (có thể coi bằng 0) ngay trước thời điểm cấp
xung điều khiển để khóa van thì ta hoàn toàn có thể triệt tiêu được tổn hao trong quá
trình chuyển mạch từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn (off →on) của van.

Từ hình 2.1 ta thấy, điện áp trên van được giảm về 0 trước khi dòng qua van
bắt đầu tăng lên, như vậy:
Poff on  f s .Vsw .isw .ton  0

Đồng thời, trong quá trình khóa van (on→off), quá trình tăng điện áp trên van
cũng được trễ đi, điện áp tăng lên khi dòng điện trên van là nhỏ dẫn đến giảm tổn
hao khi khóa van.
Như vậy quá trình chuyển mạch điện áp không ZVS chỉ có thể xảy ra ở quá
trình mở van và vẫn tồn tại tổn hao đóng cắt trong quá trình van chuyển từ trạng
thái dẫn sang trạng thái khóa.

16


Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP

Hình 2.1. Quá trình chuyển mạch ZVS
a) Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van
b) Dòng điện và điện áp trong quá trình khóa van
2.1.2. Chuyển mạc dòng đ n không ZCS
Quá trình ZCS xảy ra ngược lại so với quá trình ZVS, nó chỉ có thể xảy ra ở
quá trình khóa van (on→off) bằng cách tạo cho dòng điện qua van trở về 0 trước khi
khóa van (điện áp trên van tăng lên), qua đó có thể triệt tiêu gần như hoàn toàn tổn
hao trong quá trình khóa van.

Hình 2.2. Quá trình chuyển mạch ZCS
a) Dòng điện và điện áp trong quá trình khóa van
b) Dòng điện và điện áp trong quá trình mở van
Cũng giống như quá trình ZVS, mặc dù loại bỏ được tổn hao khi khóa nhưng
ta vẫn phải chấp nhận tổn hao trong quá trình mở van. Chuyển mạch ZCS, chỉ có

17


Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP
thể giảm thiểu được tổn hao này bằng cách làm trễ quá trình tăng của dòng điện qua
van như hình 2.2.b.
Nhận xét:
Mặc dù có nhược điểm là mạch điều khiển và thiết kế phức tạp, cần thêm các
mạch phụ trợ để đạt được quá trình chuyển mạch mềm, tuy nhiên với ưu điểm nổi
trội là giảm thiểu gần như hoàn toàn tổn hao chuyển mạch của van nên các kỹ thuật
soft switching đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi bằng cách thêm các mạch
cộng hưởng vào mạch lực BBĐ một cách phù hợp, những BBĐ như vậy được gọi là
BBĐ cộng hưởng.

2.2. Tổng quan về nghịc lƣu cộng ƣởng
Phần này giới thiệu tổng quan về lớp các bộ nghịch lưu cộng hưởng. Một số
mạch lực của các bộ nghịch lưu cộng hưởng được tìm hiểu về ưu điểm cũng như
hạn chế của chúng.
Để giải thích hoạt động của các mạch khác nhau, chúng ta sẽ nghiên cứu
phân biệt ra hai lớp chính:
- Hệ thống cộng hưởng liên tục
- Hệ thống cộng hưởng không liên tục
2.2.1. H thống cộng ƣởng liên tục
Thành phần chính của hệ thống cộng hưởng liên tục là một mạch LC được
chèn giữa phía DC và phía AC của BBĐ để kích thích cộng hưởng điện áp khâu DC
hoặc dòng đến 0 theo một chu kỳ. Sự xuất hiện của điện áp không và dòng điện
không tạo điều kiện cho các van bán dẫn ở nghịch lưu bật hoặc tắt để thay đổi trạng
thái hoạt động. Họ này của các bộ biến đổi là lớp con trong các sơ đồ cộng hưởng
khâu AC và sơ đồ cộng hưởng khâu DC.

a) Bộ biến đổi cộng hưởng khâu AC
Hình 2.3 trình bày hai kiểu BBĐ cộng hưởng khâu AC, một cái sử dụng
mạch cộng hưởng song song còn một cái sử dụng mạch cộng hưởng nối tiếp. BBĐ
cộng hưởng khâu AC kết nối điện áp và dòng điện của cả hai cực giống như van
phía đầu vào và đầu ra của BBĐ có khả năng mang cả hai loại dòng dương và âm,

18