CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG MICRO-INVERTER

CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
MICRO-INVERTER
2.1. Giới thiệu chung về bộ inverter của hệ thống năng lượng mặt trời
Một bộ inverter là một thiết bị điện thay đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng
điện xoay chiều, có thể chuyển đổi dòng điện xoay chiều tới bất kì điện áp và tần số nào
với việc sử dụng các máy biến áp thích hợp, bộ chuyển đổi và các bộ điều khiển.
Bộ inverter của hệ thống năng lượng mặt trời có thể chia thành 2 loại chính :

• Bợ inverter trung tâm (central inverter)
• Bợ micro-inverter.
2.1.1. Bộ inverter trung tâm
Một bộ inverter trung tâm được sử dụng để chuyển đổi điện áp một chiều từ các tấm
pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau để cho ra điện áp xoay chiều dùng để cấp nguồn cho
phụ tải địa phương hoặc nối lưới, bộ inverter trung tâm thường có cơng śt lớn và điện
áp mợt chiều đầu vào cao do các tấm pin mặt trời được mắc nối tiếp (hình 2.1)

+

=

-

Lưới điện

~

Hình 2.1. Cấu hình bộ central - inverter
2.1.2. Bộ Micro-inverter
Một bộ micro-inverter chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều trên
một tấm pin mặt trời duy nhất. Dòng điên từ nhiều bộ micro-inverter được kết hợp và
được đưa vào lưới điện hiện có. Khác với bộ inverter trung tâm, có thể kết hợp được

nhiều tấm pin năng lượng mặt trời.


=

=
~

=

=
~

=
~

=
~

=
~

~

=
~

~

Lưới điện

=

=
~

=
~

=
~

~

Hình 2.2: Cấu hình bộ Micro-inverter
2.1.3. So sánh ưu nhược điểm của bộ micro-inverter so với inverter trung tâm.
Micro-inverter có nhiều lợi thế hơn các bộ inverter trung tâm thông thường khác.
Các lợi thế chính là, ngay cả một lượng nhỏ các vệt đen, các mảnh vụn thậm chí có thể là
tuyết ở trên bất kì một tấm năng lượng mặt trời nào, hay một tấm bị lỗi, thì đều không
ảnh hưởng nhiều lắm đến công suất một mảng. Mỗi bộ micro-inverter đạt được công suất
tối ưu bằng cách thực hiện tim kiếm điểm công suất đỉnh (MPPT) cho từng tấm pin mặt
trời.
Nhược điểm chính của nó là nó có một chi phí thiết bị ban đầu trên mỗi watt cao hơn
so với bộ inverter trung tâm, và thường đặt gần các tấm pin năng lượng, nơi có thể khó
khăn hơn trong việc bảo trì. Nhưng những vấn đề đó có thể giải quyết được bởi microinverter có độ bền cao hơn nhiều và cài đặt ban đầu cũng rất đơn giản.
Một phát triển gần đây là micro-inverter có thể chấp nhận đầu vào DC từ hai tấm pin
năng lượng mặt trời, chứ không phải một và việc tối ưu công suất đỉnh được thực hiện
độc lập trên mỗi tấm panel. Điều này làm giảm chi phí thiết bị cho bộ micro-inverter.

2.2. Cấu tạo chung về bộ inverter

Cấu tạo của bợ micro-inverter có thể chia thành các phần chính sau (hình 2.5):


 Bộ biến đổi DC-DC (DC-DC converter)
 Inverter (bộ biến đởi DC-AC)
 Bợ lọc (filter)

Vin

DC-DC
Converter

DC-AC
Inverter

Vout

Hình 2.3. Mơ hình bộ micro-inverter
Tùy theo sự lựa chọn từng cách thiết kế mà chúng ta sẽ có cấu tạo của bợ micro inverter khác nhau.
2.2.1. Bộ tăng áp DC-DC converter
Trong sản xuất công nghiệp, các bộ nghịch lưu được sử dụng rộng rãi trong điều
khiển động cơ điện xoay chiều, bộ lưu điện, xe điện… Tuy nhiên bộ nghịch lưu truyền
thống có hạn chế đó là điện áp xoay chiều ngõ ra không thể lớn hơn điện áp nguồn một
chiều cung cấp hay nói cách khác nó chỉ thể hiện là bộ nghịch lưu giảm áp. Đối với
những nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo như pin mặt trời, pin nhiên liệu… điện
áp ngõ ra của các dạng năng lượng này là điện áp một chiều có giá trị điện áp thấp, không
ổn định, phụ thuộc theo thời gian, môi trường làm việc. Sử dụng các nguồn năng lượng
tái tạo này để chuyển đổi thành lưới điện xoay chiều 220V/380V, đòi hỏi điện áp 1 chiều
trước khi đưa vào bộ nghịch lưu phải có giá trị lớn hơn 310Vdc (giá trị điện áp đỉnh của
220Vac). Điện áp 1 chiều có giá trị lớn có thể thực hiện bằng cách mắc nối tiếp các tấm

pin điện áp thấp với nhau, đồng nghĩa với số lượng pin phải nhiều, lắp đặt trên diện tích
rộng lớn. Điều này chỉ thích hợp với hệ thống công suất lớn, với những hệ thống công
suất nhỏ, để tạo ra điện xoay chiều 220V/380V từ nguồn điện áp thấp người ta thường
dùng :
 Máy biến áp có tần sớ thấp (50 Hz) để tăng điện áp xoay chiều ngõ ra.
 Các bộ tăng điện áp một chiều.
Các bộ biến đổi sử dụng máy biến áp tần số thấp có ưu điểm là đơn giản nhưng chất
lượng điện áp ra không tốt, và hiệu suất thấp. Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật


điện tử và chế tạo máy biến áp, ngày nay máy biến áp tần số thấp được thay thế bởi các
máy biến áp tần số cao (cỡ vào chục kHz) để tăng điện áp một chiều lên đến điện áp lưới
trước bộ nghịch lưu, tổn thất trên máy biến áp giảm, đáp ứng điều khiển nhanh, chính
xác. Dưới đây phân tích một số sơ đồ tăng điện áp một chiều được sử dụng rộng rãi.

a)

Bộ biến đổi DC-DC kiểu PUSH-PULL (kéo đẩy)
Nguyên lý hoạt động
Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đởi kiểu push-pull (hình 2.4) bao gồm mợt máy biến áp

nhiều c̣n dây T1. Mỡi c̣n dây phía thứ cấp cho ra các xung vuông lệch nhau 180ᵒ,
biên độ xung được xác định bằng điện áp đầu vào và tỉ số biến áp của máy biến áp T1.
Độ rộng xung của các cuộn dây thứ cấp của T1 là giống nhau, và được điều khiển bởi
mạch điều khiển và phản hồi âm từ đầu ra chính (Nm), c̣n Ns1 và Ns2 là các cuộn dây
phụ phục vụ cho các bộ nguồn yêu cầu nhiều đầu ra. Các transistor Q1, Q2 được sử dụng
ở chế độ khóa điện tử, xung mở cho các khóa này phải thỏa mãn điều kiện sao cho khi có
tín hiệu mở thì transistor phải dẫn ở trạng thái bão hòa, khi đó V ce(sat) ≈ 1V. Do đó khi
mỗi transistor chuyển sang trạng thái dẫn bão hịa mợt nửa tương ứng của c̣n sơ cấp
của T1 được đặt dưới xung điện áp vuông có biên đợ Vdc-1. Các c̣n dây phía thứ cấp

của máy biến áp sẽ xuất hiện xung điện áp vuông với biên độ (Vdc– 1)(𝑁𝑠⁄𝑁𝑝) – Vd (Vd
là điện áp rơi trên diode) trong khoảng thời gian To. Xung điện áp phía sau diode có tỉ sớ
chu kỳ là 2Ton/T do có hai xung vuông trong 1 chu kỳ.


Hình 2.4. Sơ đồ bộ biến đổi push-pull. Q1 và Q2 được điều khiển bởi tín hiệu PWM lệch
pha nhau 180ᵒ. Bộ biến đổi có đầu ra chính là Vm và hai đầu ra phụ là Vs1 và
Vs2 [3].
Điện áp trung bình mợt chiều ở đầu ra Vm (giả sử điện áp rơi trên diode Schottky là
0.5 V) là:

𝑉𝑚 = [(𝑉𝑑𝑐 − 1)

𝑁𝑚
𝑁𝑝

− 0.5]

2𝑇𝑜𝑛
𝑇

(2.1)


Nếu mạch phản hồi âm được đặt theo điện áp Vm (hình 2.4), thì Ton và Vm được điều
khiển chớng lại sự thay đổi của điện áp đầu vào và tải đầu ra. Mặc dù dịng tải khơng x́t
hiện trong phương trình (2.1), nhưng nếu dịng tải thay đởi thì Vm cũng thay đởi theo dẫn
đến x́t hiện tín hiệu lỗi cho bộ điều khiển và Ton được điều khiển để giữ cho Vm bằng
tín hiệu đặt (theo hướng làm cho tín hiệu lỡi bằng khơng).
Đới với các c̣n dây phụ phía thứ cấp của T1, điện áp phía cathode của diode cũng

được xác định từ sớ vịng dây của cuộn thứ cấp và khoảng thời gian mở Ton của xung
vuông. Điện áp đầu ra của các đầu ra phụ được xác định theo công thức sau ( với diode ở
đầu ra là loại diode thường có điện áp rơi là 1V).
𝑉𝑠1 = [(𝑉𝑑𝑐 − 1)

𝑁𝑠1

𝑉𝑠2 = [(𝑉𝑑𝑐 − 1)

𝑁𝑠2

𝑁𝑝

𝑁𝑝

− 1]
− 1]

2𝑇𝑜𝑛
𝑇
2𝑇𝑜𝑛
𝑇

(2.2)
(2.3)

Nhận xét về bộ biến đổi DC-DC kiểu push-pull
Bộ biến đổi kiểu push-pull là một trong các sơ đồ lâu đời nhất mà vẫn còn được sử
dụng rộng rãi. Nhờ ưu điểm có nhiều đầu ra với các điện áp khác nhau, đầu ra, đầu vào
và giữa các đầu ra đều được các ly về điện, điện áp đầu ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn

điện áp đầu vào. Đầu ra chính được điều khiển để chống lại sự thay đởi của điện áp đầu
ra và dịng tải. Các đầu ra phụ cũng cũng được điều khiển để chống lại sự thay đổi của
điện áp đầu vào và sai lệch khoảng 5% với thay đổi tải đầu ra với điều kiện cuộn cảm lọc
đầu ra phải làm việc trong chế độ liên tục.
Bên cạnh các ưu điểm trên thì bợ biến đởi theo kiểu push-pull vẫn cịn tồn tại các
nhược điểm sau: số lượng thiết bị bán dẫn công suất lớn ( 2 transistor và 2 diode), cần tụ
lọc lớn ở phía đầu ra gây thêm tổn thất và làm tăng kích thước của bộ biến đổi.
b) Bộ biến đổi DC-DC kiểu forward.
Nguyên lý hoạt động.
Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi kiểu forward với ba đầu ra được trình bày trong hình
2.5. Cấu trúc kiểu forward thường được chọn với công suất ưu cầu nhỏ hơn 200 W và
điện áp đầu vào từ 60 đến 200 V. Khi điện áp đầu vào nhỏ hơn 60 V dòng điện phía sơ
cấp trở nên quá lơn với công suất lơn. Điên áp đầu vào lớn hơn 200 V điện áp đặt trên


transistor trở nên quá lớn. Thêm vào đó nếu công suất lớn hơn 200 W dòng điện đầu vào
phía sơ cấp cũng sẽ trở nên quá lớn kể cả khi điện áp đầu vào cao.
Từ hình 2.5 ta có thể thấy sơ đồ gồm mợt đầu ra chính Vm và hai đầu ra phụ, Vs1 và
Vs2. Vòng phản hồi âm với tín hiệu phản hồi lấy từ Vm có nhiệm vụ điều khiển Q1 để giữ
cho Vm không đổi khi điện áp vào và tải thay đổi. Các đầu ra phụ cũng được điều khiển
để giữ không đổi khi điện áp đầu vào thay đổi


Hình 2.5. Sơ đồ ngun lý và dạng sóng của bộ biến đổi DC-DC kiểu forward [3]
So với sơ đồ push-pull trong hình 2.4, ta thấy mợt transistor được thay thế bằng diode
D1. Khi Q1 chuyển sang trạng thái dẫn xuất hiện dòng điện trong cuộn dây sơ cấp Np,
các diode từ D2 đến D4 được phân cực thuận, dòng điện ở các cuộn thứ cấp cung cấp cho
tải thông qua bộ lọc LC. Chú ý: năng lượng chỉ cung cấp cho tải trong khi Q1 đang ở
trạng thái dẫn.
Từ hình 2.5, nếu transistor Q1 có thời gian dẫn là Ton, điện áp phía sau diode D2 ở

mức cao Vomr là:
𝑉𝑜𝑚𝑟 = [(𝑉𝑑𝑐 − 1)

𝑁𝑚
𝑁𝑝

] − 𝑉𝐷2

(2.4)

Diode D5 đến D7 được nối song song với mạch tải nhằm dẫn dòng khi D2 đến D4 bị
phân cực ngược. Khi Q1 chuyển sang trạng thái khóa, dòng điện trong cuộn sơ cấp của
T1 giảm đợt ngợt, để chớng lại q trình giảm này phía sơ cấp xuất hiện điện áp ngược.
Nếu không có diode D1 điện áp âm trên cuộn Nr sẽ rất lớn, vì Nr và Np thường có cùng
sớ vòng dây nên điện áp đặt lên transistor Q1 sẽ tăng đủ lớn để phá hủy transistor này.
Nhờ diode D1 nên điện áp trên Nr được giữ ở mức Vdc so với đất, dẫn đến điện áp trên Np
cũng được giữ ở mức Vdc. Nếu bỏ qua điện áp rơi trên diode thì điện áp các cuộn Nr và
Np là Vdc từ đó ta có điện áp lớn nhất đặt lên Q1 là 2Vdc.
Để tránh cho mạch từ bị bão hòa thì trong mợt chu kỳ nếu từ lõi thép di chuyển theo
một hướng của đường cong từ trễ thì trước khi bắt đầu một chu kỳ làm việc mới đặc tính
từ hóa phải trở lại điểm ban đầu trên đường cong từ trễ. Nếu điều kiện trên không được
đáp ứng mạch từ sẽ bị bão hòa dẫn đến phá hỏng transistor Q1.
Từ dạng sóng của điện áp đặt trên transistor (hình 2.5) thời gian dẫn của Q1 là Ton,
tích sớ volt-giây là VdcTon (bằng diện tích vùng A1) làm cho từ cảm trong mạch từ tăng
dB = (VdcTon/NpAe)*10-8 gauss[3]. Khi Q1 khóa điện kháng từ hóa có chiều ngược lại giữ
điện áp âm đủ lâu để tích sớ volt-giây A2 bằng với A1, đủ điều kiện để chu kỳ sau bắt
đầu.
Điện áp trung bình đầu ra của bộ biến đổi được tính theo cơng thức sau:

𝑉𝑜𝑚 = [(𝑉𝑑𝑐 − 1)

𝑁𝑚
𝑁𝑝

− 𝑉𝑑 ]

𝑇𝑜𝑛
𝑇

(2.5)

Nhận xét về bộ biến đổi
 Ưu điểm: Sơ đồ biến đổi kiểu forward có thể được thiết kế để có nhiều đầu ra
với các mức điện áp khác nhau. Giữa đầu vào và đầu ra, giữa các đầu ra được
cách ly về điện với nhau. Sớ khóa bán dẫn cần sử dụng ít hơn so với sơ đồ kiểu
push-pull. Đầu ra chính được giữa ởn định nhờ mạch điều khiển với vịng phản
hồi âm, nhờ đó điện áp đầu ra được giữ ổn định khi tải hay điện áp đầu vào thay
đổi.
 Nhược điểm: Sơ đồ này bị giới hạn về công suất và điện áp đầu vào, điện áp vào
chỉ nên nằm trong khoảng 60 đến 200 V. Phía đầu ra cần phải có c̣n kháng lọc
lớn làm tăng giá thành, tởn thất và kích thước bộ biến đổi.
c) Bộ tăng áp dùng máy biến áp hồi tiếp (flyback converter)
Hình 2.6 trình bày sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi flyback. Khi Q1 đóng mạch thì
xuất hiện dòng điện chạy qua quận dây sơ cấp nhưng do diode D1 ở mạch thứ cấp phân
cức ngược nên cuộn dây thứ cấp không có dòng điện chạy qua. Khi Q1 hở mạch thì dòng


điện trong cuộn sơ cấp giảm về không. Sức điện động trong các cuộn dây của máy biến
áp đảo chiều. Diode D2 phân cực thuận, trong cuộn dây thứ cấp có dòng điện chạy qua.

Như vậy ta có thể thấy cuộn dây sơ cấp và cuộn thứ cấp của máy biến áp flyback khơng
dẫn dòng đồng thời.
Hình 2.6. Sơ đồ ngun lý và dạng sóng của flyback converter [3]
Hoạt đợng của sơ đồ: Khi Q1 đóng mạch diode D1 và D2 phân cực ngược. Tải được
cấp dòng nhờ vào tụ C0 và C1, T1 đóng vai trò như cuộn cảm và dòng điện trong cuộn sơ
cấp tăng tuyến tính đến giá trị đỉnh Ip. Khi Q1 hở mạch, dòng điện trong cuộn dây sơ cấp
giảm về không để chống lại sự giảm của dòng điện sức điện động cảm ứng ở các c̣n
dây đảo cực tính. Diode D1, D2 được phân cực tḥn, năng lượng tích trữ trong c̣n dây
sơ cấp được chuyển sang cuộn thứ cấp để cung cấp cho tải và nạp lại tụ C0, C1.
Quy tắc bảo tồn sức từ động của cuộn cảm có nhiều hơn một cuộn dây [3].
Đối với cuộn cảm có số cuộn dây lớn hơn một chỉ số sức từ động từ cuộn sơ cấp sang
cn thứ cấp được bảo tồn.
Ví dụ: Nếu cuộn sơ cấp có 100 vòng dây và dòng điện tại thời điểm Q1 hở mạch là 1
A. Sức từ động trong cuộn sơ cấp F = NI = 100 ampere-turns. Sức từ đợng này được bảo
tồn và chủn sang c̣n thứ cấp. Nếu c̣n thứ cấp có sớ vịng dây là 10 vịng thì dịng
điện c̣n thứ cấp sẽ là 10 A.
Trong máy biến áp flyback khơng có sự tương quan giữa điện áp của cuộn sơ cấp và
cuộn thứ cấp. Thực tế điện áp của cuộn thứ cấp phụ tḥc vào tải. trong ví dụ trên giả sử
tải là 1 ohm thì điện áp đầu ra của cuộn thứ cấp là Vs = 10x1 = 10 volts. (chú ý: khơng
nên để hở mạch c̣n sơ cấp vì khóa bán dẫn có thể bị đánh thủng bởi điện áp cao). Nhờ
đặc điểm giúp sơ đồ flyback dễ dàng có được điện áp đầu ra cao.
Mặc dù không có tương quan về điện áp đầu ra và đầu vào nhưng quá trình hổ cảm
giữa hai cuộn dây vẫn sảy ra. Trong ví dụ trên nếu tải đầu ra là 100 ohms, điện áp ra của
cuộn sơ cấp là 1000 volts. Điện áp hổ cảm ở cuộn sơ cấp là 10000 volts. Điện áp này
cộng thêm với điện áp nguồn đặt lên hai cực Q1 khi nó ở trạng thái hở mạch là 10100
volts.


Dựa vào giá trị điện cảm của cuộn sơ cấp và đặc tính tải mạch flyback có hai chế đợ
làm việc khác nhau là chế đợ dịng liên tục và chế đợ dòng gián đoạn.

 Chế độ dịng gián đoạn
Nếu dịng điện phía thứ cấp của máy biến áp giảm về khơng trước khi khóa Q1
chuyển sang trạng thái dẫn lần kế tiếp thì tất cả năng lượng được tích trữ trong cuộn sơ
cấp được chuyển cho tải. Mạch flyback làm việc ở chế độ dịng gián đoạn hình 2.7.
Trong hình 2.6 điện áp của c̣n dây thứ cấp chính được phản hồi về mạch điều
khiển. Tín hiệu phản hồi được so sánh với tín hiệu đặt, tín hiệu lỡi được dùng để điều
khiển thời gian dẫn của khóa bán dẫn Q1, nhằm giữ cho điện áp đầu ra không đởi khi có
sự thay đởi của tải và điện áp đầu vào.
Trong khoảng thời gian dẫn của Q1 điện áp đặt trên cuộn sơ cấp là không đổi nên
dòng điện tăng tún tính với tớc đợ dI/dt=(Vdc−1)/Lp. Trong đó Lp là điện kháng từ hóa
của c̣n dây sơ cấp.Tại thời điển kết thúc quá trình dẫn của Q1 dòng điện tăng đến Ip=
(Vdc -1)Ton/Lp. Năng lượng tích trữ được là
E=

𝐿𝑝 (𝐼𝑃 )2
2

(2.6)

Trong đó : E là năng lượng tích trự được trong máy biến áp (joules)
Lp là điện cảm từ hóa của c̣n sơ cấp (henries)
Ip là dòng điện trong cuộn sơ cấp (amperes)
Khi Q1 trong trạng thái khóa dòng điện trong cuộn sơ cấp bị giảm về không làm cho
sức điện động cảm ứng trong các cuộn dây bị đảo chiều. Giả sử phía sơ cấp chỉ có mợt
c̣n dây Nm. Vì dòng điện trong cuộn cảm không thể thay đởi mợt cách tức thì nên dịng
điện trong c̣n sơ cấp tại thời điểm cắt mạch sơ cấp là Is = Ip(Np/Nm). Sau một số chu kỳ,
điện áp đầu ra của cuộn thứ cấp tăng lên đến giá trị đặt Vom . Dòng điện trong cuộn thứ
cấp giảm tuyến tính với tớc đợ dIs/dt = Vom/Vs, Trong đó Ls là điện cảm của cuộn thứ cấp.

Ip
Ipmax

Is

t

Ismax

t

Hình 2.7. Dạng sóng dịng điện trong chế độ gián đoạn
Năng lượng lấy từ nguồn trong một chu kỳ:

𝑃=

1⁄ 𝐿𝑝(𝐼𝑝)2
2
𝑇

(W)

(2.7a)

Với Ip = (Vdc−1)Ton/Lp

𝑃=

[(𝑉𝑑𝑐 −1)𝑇𝑜𝑛]2

2𝑇𝐿𝑝

≈

(𝑉𝑑𝑐 𝑇𝑜𝑛)2
2𝑇𝐿𝑝

(W)

(2.7b)

Từ phương trình (2.7b) ta có thể thấy mạch điều khiển giữ cho giá trị điện áp đầu
ra khơng đởi nhờ vào giữ tích VdcTon khơng đổi.
Quan hệ giữa điện áp đầu ra, điện áp đầu vào, Ton và tải.
Giả sử hiệu suất của bộ biến đởi là 80%.
Ta có : Input power = 1,25( Output power) =

1.25(𝑉𝑜 )2
𝑅𝑜

Với Ip = 𝑉𝑑𝑐 𝑇𝑜𝑛 /𝐿𝑝 vì 𝑇𝑜𝑛 là lớn nhất khi 𝑉𝑑𝑐 nhỏ nhất.

=

1⁄ (𝐿 𝐼2 )
2 𝑝𝑝
𝑇

(2.8)

Suy ra :

2

𝑉𝑜 = 𝑉𝑑𝑐 𝑇𝑜𝑛 √

𝑅0

(2.9)

2,5𝑇𝐿𝑝

Từ 2.9 ta thấy mạch điều khiển sẽ ổn định điện áp đầu ra bằng cách giảm Ton khi
Vdc hoặc Ro tăng và ngược lại tăng Ton khi Vdc hoặc Ro giảm.
 Chế độ dòng liên tục
Chế độ dòng điện liên tục là chế độ hoạt động mà trước khi bắt đầu chu kỳ mới dòng
điện trong các cuộn dây của máy biến áp chưa giảm về khơng hình 2.8.

Ip
Ipmax

Is

t

Ismax

t

Hình 2.8. Dạng sóng dịng điện ở chế độ liên tục
Vì giả sử điện trở DC của mạch điện phía sơ cấp bằng không, cuộn sơ cấp không thể
chịu điện áp DC trong nhiều chu kỳ nên trong chế đợ xác lập tích sớ vơn-giây trên khi Q1
dẫn phải bằng tích sớ vơn-giây khi Q1 khóa (nghĩa là điện áp trung bình trên c̣n sơ cấp
bằng không trong một chu kỳ).
Từ đó ta có :
(𝑉𝑑𝑐 − 1) 𝑇𝑜𝑛 = (𝑉𝑜𝑚 + 1)

𝑁𝑝

𝑡
𝑁𝑠 𝑜𝑓𝑓

Hoặc
𝑉𝑜𝑚 = [𝑉𝑑𝑐 − 1)

𝑁𝑠 𝑇𝑜𝑛
𝑁𝑝 𝑇𝑜𝑓𝑓

]−1

(2.10)


T = 𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓

Vì
Suy ra:

𝑉𝑜𝑚 = [

=

𝑁
𝑡
(𝑉𝑑𝑐 −1)( 𝑠⁄𝑁 )( 𝑜𝑛⁄𝑇)
𝑃

𝑡
1− 𝑜𝑛⁄𝑇

𝑁
(𝑉𝑑𝑐 −1)( 𝑠⁄𝑁 )
𝑃
[
]
(𝑇⁄
)
𝑡𝑜𝑛

]−1

(2.11a)

−1

(2.11b)

Mạch điều khiển ổn định điện áp đầu ra bằng cách giảm ton khi Vdc tăng hoặc ngược
lại.

Từ hình 2.10 cơng śt ra bằng điện áp đầu ra nhân với dòng điện trung bình của
c̣n dây thứ cấp Icsr.
𝑃𝑜 = 𝑉𝑜 𝐼𝑐𝑠𝑟

𝑡𝑜𝑓𝑓
𝑇

= 𝑉𝑜 𝐼𝑐𝑠𝑟 (1 −

𝑡𝑜𝑛⁄
𝑇)

(2.12)

Từ (4.6) ta có:
𝐼𝑐𝑠𝑟 =

𝑃𝑜

(2.13)

𝑉𝑜 (1−𝑡𝑜𝑛⁄𝑇)

Giả sử hiệu suất của bộ biến đổi là 80%
𝑃𝑖𝑛 = 1.25𝑃𝑜 = 𝑉𝑑𝑐 𝐼𝑐𝑝𝑟

𝑡𝑜𝑛
𝑇

Hoặc

𝐼𝑐𝑝𝑟 = (𝑉

1.25𝑃𝑜
𝑑𝑐 )(𝑡𝑜𝑛 ⁄𝑇)

(2.14)

Nhận xét về bộ biến đồi flyback
 Ưu điểm: Do cuộn dây thứ cấp cũng đóng vai trò như một cuộn lọc đầu ra nên
giảm được giá thành và kích thước của bộ biến đổi. Như đã phân tíc ở trên điện áp
ra ở phía thứ cấp của máy biến áp flyback phụ thuộc vào tải nên có thể tạo được
điện áp ra lớn ở phía thứ cấp. So với hai mạch trên thì sớ lượng khóa bán dẫn công
suất cũng nhỏ hơn (1 mosfet và 1 diode) nên giảm giá thành đáng kể bộ biến đổi.


 Nhược điểm: Bên cạnh các ưu điểm trên thì bộ biến đổi flyback cũng có nhược
điểm là dòng điện đầu ra có hệ sớ nhấp nhơ lớn nên cơng suất ra thường giới hạn ở
150 W, và khó khăn trong việc giảm tởn thất do từ thơng dị ở cuộn sơ cấp gây ra.
d) Chọn bộ biến đổi DC – DC
Từ các phân tích trên, chọn bợ biến đởi flyback với các yêu điểm nổi bật như dễ
dàng tạo điện áp ra lớn, hiệu suất cao, số linh kiện cơng śt ít, làm bợ tăng điện áp mợt
chiều cho đề tài.
Để nâng cao hiệu suất và khắc phục các nhược điểm của bộ biến đổi flyback, bộ
tăng điện áp một chiều sẽ sử dụng hai bộ flyback nối song song với nhau. Về hoạt đợng
sẽ tiếp tục được trình bày chi tiết ở chương 3.
2.2.2. Bộ nghịch lưu (DC – AC)
Bộ nghịch lưu là bộ biến đổi tĩnh đảm bảo biến đổi một chiều thành xoay chiều.
Nguồn cung cấp là mợt chiều, nhờ các khóa chủn mạch làm thay đổi cách đầu nối vào
và ra một cách chu kỳ để tạo nên đầu ra xoay chiều. Việc chuyển mạch được thực hiện
nhờ lưới xoay chiều, trong bộ nghịch lưu cũng như trong bộ điều áp một chiều, hoạt động

của chúng phụ thuộc vào loại nguồn và tải.
Các bộ nghịch lưu được phân thành hai loại:
 Bộ nghịch lưu áp được cung cấp từ nguồn áp một chiều
 Bộ nghịch lưu dòng được cung cấp từ nguồn dịng mợt chiều
Đầu vào của bộ nghịch lưu cũng chính được lấy từ đầu ra của bộ tăng áp một chiều.
Sau đây sẽ phân tích hai bợ nghịch lưu hiệu śt cao để so sánh và chọn lựa là:
 Bộ nghịch lưu cầu một pha
 Bộ nghich lưu đa mức một pha
a) Bộ nghịch lưu cầu 1 pha
Sơ đô nguyên lý cơ bản của mạch nghịch lưu cầu mợt pha được trình bày trong hình
2.11, trong đó nguồn điện mợt chiều có thể là nguồn áp hoặc nguồn dịng (giả sử nguồn
áp), bớn khóa điện tử từ Q1 đến Q4 và 4 diode nối song song ngược để bảo vệ cho
mosfet. Dạng dóng điện áp


Hoạt động của sơ đồ: Tại thời điểm t = 0, tín hiệu điều khiển kích mở Q1,Q4 và
khóa Q2, Q3 điện áp đặt trên mạch tải là Vdc, dòng điện trong mạch tải tăng dần lên giá
trị Imax.

Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu cầu

Hình 2.10. Dạng sóng dịng điện và điện áp của mạch nghịch lưu cầu


Khi t = 0,01 s tín hiệu điều khiển kích mở Q2, Q3 và khóa Q1, Q4 điện áp đặt trên
mạch tải bây giờ là –Vdc, do tải mang tính cảm nên dòng điện chưa thể đảo chiều ngay
được mà giảm dần theo đường R1-L1-D3-Vdc-D2-R1 cho đến khi bằng không. Sau đó
dòng điện đảo chiều và qua Q2, Q3 dòng điện tiếp tục giảm cho đến Imin tại cuối chu kỳ
của điện áp ra. Nửa chu kỳ sau mạch hoạt đợng tương tự để hồn thành 1 chu kỳ điện áp
ra. Từ hình 2.12, điện áp ra có dạng xung chữ nhật.

Vì điện áp ra có danh xung chữ nhật nên hệ sớ sóng hài cao chất lượng đầu ra của
mạch nghịch lưu cầu thấp. Để nâng cao chất lượng điện áp đầu ra người ta thường áp
dụng các phương pháp điều chế khác nhau khi đó các khóa bán dẫn dóng cắt với tần sớ
cao hơn nhiều lần tần số đầu ra, một trong các phương pháp phổ biến là phương pháp
điều chế độ rộng xung (PWM). Khi sử dụng phương pháp này thì u cầu các khóa bán
dẫn phải được chọn phải có tần sớ đóng cắt lớn, mạch điều khiển trở nên phức tạp hơn.
Mạch nghịch lưu cầu có ưu điểm là đơn giản và số lượng linh kiện cơng śt ít, chất
lượng điện áp ra cũng có thể dễ dàng cải thiện bằng cách phương pháp điều biến xung ở
các khóa điện tử.
b) Bộ nghịch lưu đa mức một pha
Bộ nghịch lưu cầu một pha dễ dàng đạt các yêu cầu của điện áp ra cho các bợ biến
đởi có u cầu chất lượng điện áp ra không cao, tuy nhiện hiện nay để nâng cao chất
lượng ra cũng như giảm hệ sớ sóng hài của điện áp ra người ta sử dụng sở đồ nghịch lưu
đa mức, sơ đồ này có thể kết hợp với các phương pháp điều biến để có được điện áp ra có
chất lượng mong ḿn. Sau đây trình bày cơ bản của mạch nghịch lưu đa mức (7 mức)
một pha với một nguồn một chiều.


Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu đa mức với một nguồn một chiều
Hình 2.13 trình bày sơ đồ nguyên lý của nghịch lưu 7 mức, gồm có 8 van bán dẫn
chia thành hai mạch cầu là H1 và H2, một nguồn một chiều và 1 tụ điện.
Hoạt động của sơ đồ
Trong hình 2.13 mạch cầu H1 được cấp nguồn bởi nguồn điện một chiều, mạch cầu
H2 được cấp nguồn từ tụ điện C, điện áp trên tụ được giữ ở Vdc/2. Điện áp đầu ra của
cầu H1 là v1, điện áp ra của cầu H2 là v2, như vậy điện áp ra của mạch nghịch lưu là v(t)
= v1(t) + v2(t). Bằng cách thực hiện đóng cắt các khóa bán dẫn ở mạch cầu H1 điện áp
v1 có thể đạt được ở đầu ra là –Vdc, 0 hoặc Vdc. Trong khí đó v2 có thể đạt được là –
Vdc/2, 0 hoặc Vdc/2 bằng cách đóng mở các khóa trong mạch H2 thích hợp, Từ đó đầu ra
của nghịch lưu có thể có tới bảy mức điện áp khác nhau là -3Vdc/2, -Vdc, -Vdc/2, 0,
Vdc/2, Vdc và 3Vdc/2. Dạng sóng điện áp đầu ra được trình bày trong hình 2.14.

Hình 2.12. Xây dựng dạng sóng điện áp đầu ra của nghịch lưu đa mức
Hình 2.14b trình bày cách để xây dựng nên điện áp ra như hình 2.14a, bảng 2.1 tóm
tắt điều khiển điện áp tụ C
Bảng 2.1. Điều khiển mức điện áp trên tụ
Trạng thái hệ thống
v1
Vc<Vdc/2, i>0
Vdc
Vc0
Vc>Vdc/2, i>0
0
Vc>Vdc/2, i<0
Vdc

v2
-Vdc/2
Vdc/2
Vdc/2
-Vdc/2

v = v1+v2
Vdc/2
Vdc/2
Vdc/2
Vdc/2

Bằng cách tăng số bậc lên sẽ tăng chất lượng của điện áp ra tuy nhiên mạch phần

động lực và mạch điều khiển cũng trở nên phức tạp. Với số bậc đã định người ta cũng có
thể chất lượng điện áp ra bằng cách thực hiện điều biến độ rộng xung ở các bậc.
 Chọn lựa bộ nghịch lưu
Từ bộ tăng điện áp một chiều đã chọn, phương pháp điều khiển để điện áp và dòng
điện đầu ra có dạng sin có thể được thực hiện ở mạch tăng áp mợt chiều (sẽ được trình
bày kỹ ở chương 5), khi đó mạch nghịch lưu chỉ có vai trị nắn dòng điện gồm hai nửa
hình sin thành dịng hình sin. Từ các phân tích trên, dễ thấy bộ nghịch lưu cầu thỏa mãn
với yêu cầu đề ra với sớ lượng linh kiện cơng śt ít, dễ dàng thiết kế và điều khiển. Vậy
chọn bộ nghịch lưu cầu làm bộ nghịch lưu cho bộ micro-inverter đang thiết kế.
2.2.3. Bộ lọc đầu ra
Ngày nay các bộ lọc nối lưới thụ động được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng dân
dụng cũng như công nghiệp, thường được gọi là bộ lọc EMI (Electromagnetic
Interference), thực hiện hai chức năng sau:
 Triệt tiêu nhiễu đi vào lưới từ bộ micro-inverter sinh ra do quá trình đóng cắt các
khóa điện tử.
 Triệt tiêu nhiễu đi vào bộ micro-inverter từ lưới điện, nhiễu này có thể là nguyên
nhân làm cho thiết bị điều khiển gặp sự cố.
Về bản chất bộ lọc EMI là bợ lọc thơng thấp thích hợp để sử dụng dụng cho bợ
micro-inverter để loại bỏ được các sóng hài của dòng điện xung quanh tần số chuyển
mạch và thực hiện theo tiêu chuẩn (IEEE 1547) cho bộ nghịch lưu nối lưới.
Cấu tạo bộ lọc EMI


Nhiễu trong các bộ nguồn xung được chia thành hai loại là nhiễu không đối xứng
(common hoặc asymmetrical) và nhiễu đối xứng (differental hoặc symmetrical) nên bộ
lọc EMI cũng gồm có hai phần là lọc đới xứng và lọc khơng đới xứng. Sau đây sẽ trình
bày dòng điện nhiễu ở hai chế đợ khác nhau.

I

Total noise

ICM

Tải

Nguồn
IDM
ICM
I

Hình 2.13. Dịng nhiễu common-mode và difference-mode
Nhiễu common-mode là nhiễu giữa các dây so với dây đất (kể cả dây pha và dây
trung tính), nhiễu differential-mode là nhiễu giữa dây sinh ra giữa dây pha và dây trung
tính. Dòng điện common-mode ICM là xác định cả về biên độ và pha với tần số đã cho.
Dòng điện differencetial-mode IDM có hướng cùng với dòng điện pha.
Hình 2.14 trình bày sơ đồ bộ lọc EMI hiệu śt cao gồm có tụ điện Xcap, c̣n cảm
common-mode, c̣n cảm diferential-mode, tụ điện Ycap.


Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý bộ lọc thụ động EMI
Kết luận: Một trong những yếu tố quan trọng quyết định chất lượng, hiệu xuất và giá
thành của bộ biến đổi là cấu trúc của bộ biến đổi, trong chương này đã trình bày cấu trúc
của bộ micro-inverter với các khâu đợng lực chính là: tăng điện áp mợt chiều theo sơ đồ
flyback, nghịch lưu sử dụng bộ nghịch lưu cầu và ći cùng là mạch lọc EMI có chức
năng triệt tiêu nhiễu từ bộ biến đổi vào hệ thống và ngược lại. Thông số cụ thể của các
thiết bị đợng lực sẽ được tính chọn cụ thể trong chương 3.