Nghiên cứu bộ nghịch lưu tăng cáp ba pha ghép tầng đa bậc tt

LỜ
T i xin c m đ n đ

A

ĐOAN

là c ng trình nghi n cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết

quả nêu trong luận án là trung thực và chư từng được ai công bố trong bất k công
trình nào khác.
T i xin c m đ n rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này củ t i
đ

đã được cảm ơn đầ đủ và các thông tin trích dẫn trong luận án nà đã được chỉ rõ

nguồn gốc.

Nghiên cứu sinh thực hiện

Trầ

iii

ă T

ận


ƯƠNG 1: TỔNG QUAN
11

ọ đ
Các bộ nghịch lư nguồn áp tr

n thống được ứng dụng rộng rãi tr ng đi u

khiển động cơ, bộ lư điện, xe điện, hệ thống phân phối điện
vài hạn chế khi sử dụng bộ nghịch lư tr

T

nhi n, có một

n thống như:

Thứ nhất là, điện áp xoay chi u ngõ ra luôn nhỏ hơn điện áp nguồn một chi u
cung cấp ở ng và .
 Thứ hai là, các khóa bán dẫn trên cùng một nhánh không thể đóng đồng thời
được vì lúc đó xảy ra tình trạng ngắn mạch nguồn áp một chi u làm mất an toàn
cũng như hư hỏng thiết bị.
Thứ ba là, việc tạo ra khoảng thời gian chết (độ tr ) trong quá trình chuyển
mạch của các khóa bán dẫn nà cũng làm tăng độ méo dạng áp đầu ra.
Đối với những nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạ như pin mặt trời
(PV), pin nhiên liệ (f el cell)

, điện áp ngõ ra của các dạng năng lượng này là

điện một chi u có giá trị điện áp thấp, không ổn định phụ thuộc theo thời gian, đi u
kiện m i trường làm việc. Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạ nà để chuyển đổi
thành điện xoay chi u 220Vrms /380Vrms, đòi hỏi điện áp một chi

trước khi đư

vào bộ nghịch lư phải có giá trị lớn hơn 310 V. Điện áp một chi u có giá trị lớn có
thể thực hiện bằng cách mắc nối tiếp các tấm pin điện áp thấp với nh , đồng nghĩ
với số lượng pin phải nhi u, lắp đặt trên diện tích rộng lớn; Đi u này chỉ thích hợp
với hệ thống công suất lớn, có đi u kiện triển khai trên diện tích rộng.
Các cấu hình nghịch lư tăng áp đ bậc đã giải

ết được hầ hết các

cầ

đặt r . Tuy nhiên điện áp ngõ ra củ các cấ hình nà tồn tại nhi u thành phần sóng
hài bậc c .

đó khi nối lưới đòi hỏi phải thiết kế bộ lọc lớn, kết quả làm tăng

kích thước và tăng giá thành của bộ nghịch lư . Các cấu hình nghịch lư đ bậc điốt kẹp (NPC), tụ kẹp (FC) và cascaded đã khắc phục được các vấn đ của nghịch
lư b bậc như: Điện áp đặt trên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do
á trình đóng ngắt của linh kiện cũng giảm theo; tần số đóng ngắt lớn, các thành
phần hài bậc cao củ điện áp ra giảm nhỏ hơn s với bộ nghịch lư b bậc, nhưng
vẫn tồn tại một số nhược điểm như: Điện áp xoay chi u ngõ ra vẫn thấp hơn điện áp
1


một chi u cung cấp, còn chị ảnh hưởng nhi

củ nhi

đó vấn đ mất cân bằng giữa các nguồn một chi

điện từ M

ên cạnh

đầu vào cung cấp cho nghịch lư

đ bậc cũng là một trở ngại lớn. iệc nghiên cứu bộ nghịch lư tăng áp b ph ghép
tầng đ bậc (Three-Phase Multilevel Switched Boost Inverter) là cấp thiết nhằm
khắc phục những hạn chế đã n

n

ở trên. Cấ hình đ xuất cũng sẽ giải quyết các

vấn đ như mất cân bằng của các nguồn một chi

đầu vào cung cấp cho nghịch

lư , làm giảm thiểu THD cho mạch và hạn chế việc ảnh hưởng của nhi
( M ) đến hệ thống. Cùng với đó là đ x ất mạch ch ển đổi tăng áp
kh ng cách l có độ tăng áp và hiệ s ất c , có thể ứng ụng tr ng các kh

điện từ
C- C
tăng

áp củ mạch nghịch lư nhằm n ng cải thiện hệ số tăng áp.
1.2 Mụ đí

ủa đ tài.

Nghiên cứ v cấu hình nghịch lư tăng áp, từ đó nghi n cứu ghép tầng đ bậc
nghịch lư tăng áp b ph mới giải quyết được vấn đ mất cân bằng giữa các nguồn
DC cung cấp ở đầu vào trong mỗi module ghép tầng, cho phép các mạch nghịch lư
hoạt động ở chế độ ngắn mạch và hệ số tăng áp c

ở ngõ ra (thông qua các thuật

t án đi u khiển), làm cải thiện độ mé hài tổng (THD) và giảm sự ảnh hưởng củ
nhi

điện từ (EMI). Đồng thời nghi n cứ và đ x ất mạch tăng áp DC-DC với hệ

số tăng áp cũng như hiệ s ất c

có thể sử ụng ch kh

nghịch lư , bởi lẽ thực tế nghi n cứ trước đ
nghịch lư ch
định. Đi

tăng áp ở các mạch

đã chỉ r hệ số tăng áp củ các mạch

là được cải tiến, s ng vẫn còn ở mức đạt được ch phép nhất

nà góp phần làm tăng hiệ s ất làm việc đáng kể ch mạch nghịch lư

cũng như các cấ hình mạch ghép tầng nghịch lư ch r mức điện áp m ng m ốn.
1.3 Nhiệm vụ và giới hạn củ đ tài.
- Tìm hiể các cấ hình tăng áp DC-DC tr

n thống, s sánh ư nhược điểm, từ đó

đ x ất cấ hình mạch tăng áp DC-DC với hệ số tăng áp và hiệ s ất c .
- Tìm hiểu cấu hình nghịch lư tăng áp đ bậc, so sánh, nhận xét.
- Nghiên cứ đ xuất cấu hình ghép tầng nghịch lư tăng áp đ bậc ba pha giải
quyết các vấn đ đặt ra kể trên.
- Xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm, đ xuất hướng phát triển tiếp theo.

2


1.4 P

ơ

p áp

ê

ứu.

Sử dụng phương pháp nghi n cứu qua tài liệu v các bộ nghịch lư , mạch tăng
áp và các giải thuật đi u khiển ch các cấ hình. Th m khảo từ các tạp chí khoa
học, các hội nghị ch
điện tử

n ngành, các bài bá nghi n cứ được c ng bố tr n thư viện

PL R , springer,

Nghi n cứu các kỹ thuật đi u chế PWM để đi u

khiển mạch mạch lư tăng áp.
Ứng dụng các kỹ thuật đi u chế xây dựng thuật t án đi u khiển và sử dụng
phần m m chuyên dụng P M để mô phỏng cho cấ hình đ x ất. Xây dựng mô
mình thực nghiệm, đi

khiển bằng kit

P TM 320 2 33 , thu thập kết quả và

nhận xét kết quả.
1.5 Đ ểm mới củ đ tài.
- Đ tài đã đ xuất được cấ hình mạch tăng áp c-dc với hệ số tăng áp và hiệ
s ất c

hơn s với các cấ hình tr

n thống.

- Đ tài đã đ xuất được cấu hình ghép tầng nghịch lư tăng áp b ph đ bậc
với ư điểm chính là giải quyết vấn đ mất cân bằng giữa các nguồn DC cung cấp ở
đầu vào trong mỗi module ghép tầng, làm gi tăng được điện áp ở ng r (tăng hệ số
tăng áp của mạch thông qua các thuật t án đi u khiển, mạch kết hợp), đồng thời làm
cải thiện độ méo hài tổng (TH ). Thực nghiệm tr n cơ sở kết quả mô phỏng để có

được kết quả minh chứng một cách rõ ràng, khoa học.

ƯƠNG 2: Ơ SỞ LÝ THUY T
2.1 N

nguồn áp.

2.1.1 Khái niệm và phân
 Khái niệm bộ ngh

.
:

Bộ nghịch lư có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn một chi u không
đổi sang dạng năng lượng điện xoay chi u với điện áp và òng điện có tần số ngõ ra
theo yêu cầ để cung cấp cho tải xoay chi u [1], [3].
Đại lượng được đi u khiển ở ng r là điện áp hoặc òng điện, tương ứng ta có
bộ nghịch lư được gọi là bộ nghịch lư ng ồn áp và bộ nghịch lư ng ồn dòng.

3


 Phân loại ngh

ồn áp:

- Theo số pha: Có nghịch lư một pha, nghịch lư b ph .
- Theo số cấp điện áp giữa một đầu pha tải đến một điểm có điện thế chuẩn
(xác định) trên mạch: Có nghịch lư h i bậc (two level), nghịch lư đ bậc (multi
level) ba bậc trở lên).

- Theo cấu hình bộ nghịch lư : Có
converter), dạng nghịch lư
converter), dạng nghịch lư

ạng ghép tầng cascaded (cascaded

chứa đi-ốt kẹp NPC (neutral point clamped multi
kẹp tụ (Flying capacitor converter), ngoài ra còn có các

loại nghịch lư l i khác
2.1.2 Nghịch ưu tăng áp t u n th ng (BDI-H).
Hình 2.1 giới thiệu mô hình bộ BDI-H bao gồm một cuộn cảm (L) và một tụ
điện (C),

đi-ốt, 5 khóa bán dẫn và tải thụ động (R và Ll). Điện áp nguồn Vdc được

tăng áp đến một giá trị cố định tại thanh cái DC-link thông qua mạch boost DC-DC.
Điện áp này được nghịch lư thành điện xoay chi u thông qua bộ nghịch lư cầu H.
Trong cấu hình này, hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh (ví dụ S1 và S2) không
được kích đóng đồng thời. Do vậy khoảng thời gian chết (deadtime) giữa hai khóa
bán dẫn phải được tạ r để bảo vệ mạch. Kết quả làm tăng độ méo dạng sóng hài
(THD) của dạng sóng ngõ ra. Phân tích nguyên lý cụ thể của cấ hình như s :
iL

L

iPN

D

S1

S3

L1

i0

Vg
S5

Vc

R
S2

Hình 2.1: Cấu hình nghịch lư tr

S4

n thống kết hợp bộ tăng áp C-DC

2.1.3 Cấu hình cơ bản của nghịch lưu nguồn Z.
Các nghi n cứ v nghịch lư ng ồn

đã được trình bà khá r tr ng

, [5],

[8-11], [13], [20], [36], [48], [51], [53], [60-61]. Hình 2.3 chỉ ra cấu hình một pha

nghịch lư ng ồn

cơ bản [4,5] với mạng trở kháng hai cử được chèn vào giữa
4


cầu nghịch lư và ng ồn DC. Mạng nguồn Z này bao gồm hai cuộn cảm, hai tụ điện
và một đi-ốt đóng v i trò tăng áp đồng thời giúp lọc các sóng hài của bộ nguồn. Nó
cho phép hai khoá bán dẫn trên cùng một nhánh kích đóng đồng thời, trạng thái này
bị cấm trong bộ nghịch lư th ng thường vì xảy ra hiện tượng ngắn mạch gây phá
hỏng linh kiện. Do vậy nghịch lư ng ồn Z hoạt động n t àn hơn.
gian ngắn mạch nà được

h ảng thời

ng để tăng điện áp VPN trên thanh cái DC.

L1

Da
Vdc
Vc 2

C1

C2

Nối với tải

VPN

Vc1

L2
Hình 2.2: Cấu hình nghịch lư ng ồn Z một ph cơ bản
L1

Din

S1

Vdc
Vc2

C1

C2

VPN
Vc1

S2

S3

Nối tải b ph
S4

S5

S6

L2

Hình 2.3: Bộ nghịch lư ng ồn
So với bộ nghịch lư tr

n thống thì bộ nghịch lư ng ồn Z có thể cho điện

áp ngõ ra lớn hơn gấp B lần. Đ
nghịch lư ng ồn

b ph cơ bản

chính là một trong những ư điểm vượt trội của

mà chúng được ứng dụng khá rộng rãi và hiệu quả trong các

mạch chuyển đổi năng lượng, nhất là các hệ năng lượng tái tạo.
2.1.4 Cấu hình nghịch ưu tăng áp.
 Nghịch lưu tăng áp cơ bản (SBI)
Các nghi n cứ v nghịch lư tăng áp cơ bản (
các tài liệ [6], [7], [14-15], 23 ,

0 và

5

) đã được trình bà tr ng

. Hình 2.4 chỉ ra cấu hình một pha

nghịch lư tăng áp cơ bản trình bày trong [14]. Nó bao gồm h i đi-ốt, một cuộn
cảm, một tụ điện, một khóa bán dẫn và cầu nghịch lư một pha.
Da

L
●

●

Db

S0

S1

S3

Lf

i0

●

●

v

Vdc

+
C

_ VC

Cf

PN

R

+

_vo

●

S2

S4

Hình 2.4: Cấu hình nghịch lư tăng áp cơ bản
Giống như nghịch lư ng ồn Z, nghịch lư tăng áp cơ bản cũng có trạng thái
ngắn mạch để tăng điện áp trên thanh cái DC. Nghịch lư tăng áp sử dụng nhi u
hơn một khóa bán dẫn và một đi-ốt nhưng ít hơn một cuộn cảm và một tụ điện so
với cấu hình nghịch lư ng ồn Z. Hệ số tăng áp của cấu hình nghịch lư tăng áp
được xác định trong [14]:

Bs 

VPN
1  T0 / T
1 D


Vdc 1  2T0 / T 1  2 D

(2.1)

Hệ số tăng áp của nghịch lư tăng áp cơ bản nhỏ hơn (1-D) lần so với hệ số tăng áp
của nghịch lư ng ồn Z. Đ

có thể xem là một nhược điểm của nghịch lư tăng áp

cơ bản khi mà hệ số tăng áp tr ng nghịch lư được

n t m như là một yêu cầu v

tăng áp.
 Nghịch lưu tăng áp cải tiến (qSBI)
Nhằm khắc phục những hạn chế của các cấu hình nghịch lư đã trình bà ở
phần tr n tr ng chương nà , một cấu hình nghịch lư tăng áp cải tiến có khả năng
ứng dụng để thay thế nghịch lư ng ồn . Các nghi n cứ v nghịch lư tăng áp cải
tiến (

) đã được trình tr ng

-7], [14-15], [23], [50] và

hình của nghịch lư tăng áp cải tiến [6], [7], [67].

6

. Hình 2. chỉ ra cấu


iL

iPN

L

S3

S1
vPN

C
Dy

S5

Ll

io

Dx

Vdc

vC

R

vo

S4

S2

Hình 2.5: Cấu hình nghịch lư tăng áp cải tiến
Cũng giống như bộ nghịch lư ng ồn Z, nghịch lư tăng áp cải tiến cũng có các
trạng thái ngắn mạch bên cạnh hai trạng thái tích cực và hai trạng thái vectơ kh ng.
Vì thế những trạng thái hoạt động này có thể x

ựng mạch điện tương đương

thành hai trạng thái chính: ngắn mạch và không ngắn mạch. Hình 2.6 là sơ đồ mạch
tương đương của trạng thái ngắn mạch và trạng thái không ngắn mạch khi h ạt
động củ cấ hình nà .
iin

iin

L
vL

vL

Db

Vdc

iC

S0

L

C
Da

Db

Vdc

iPN

vPN

vPN

iC

Vc

S0

C

Vc

Da

(a)

(b)

Hình 2.6: Trạng thái hoạt động của qSBI: (a) ngắn mạch và (b) không ngắn mạch
Trong trạng thái ngắn mạch như chỉ trong Hình 2.6(a), bộ nghịch lư bị ngắn
mạch bởi khóa bán dẫn tr n và ưới của cùng một nhánh. Trong suốt quá trình này,
khóa bán dẫn S0 được kích đóng làm ch các đi-ốt

a

và Db không dẫn điện. Cuộn

cảm lư trữ năng lượng trong khi tụ điện xả năng lượng. Trong trạng thái không
ngắn mạch như chỉ trong Hình 2.6(b), bộ nghịch lư có h i trạng thái tích cực và hai
trạng thái không. Trong suốt quá trình này, khóa bán dẫn S0 được kích ngắt, các điốt

a

và Db dẫn điện. Tụ điện được nạp năng lượng từ nguồn tr ng khi đó c ộn cảm

chuyển năng lượng từ nguồn đến tải. Hệ số tăng áp được xác định như s :

Bi 

VPN
1

Vdc 1  2 D

(2.2)

7


Từ phương trình (2.1) và s sánh với (2.2) ta nhận thấy rằng hệ số tăng áp của
nghịch lư tăng áp cải tiến có giá trị lớn hơn hệ số tăng áp của nghịch lư tăng áp
truy n thống, nghịch lư tăng áp cơ bản và ngang bằng với hệ số tăng áp của nghịch
lư ng ồn Z. Kỹ thuật đi u chế độ rộng xung (PWM) cho cấu hình nghịch lư tăng
áp cải tiến, giản đồ được chỉ ra trên Hình 2.7.

VP
Vm

-vđiều khiển

vđiều khiển

vtri

0

vtri*

-VSH

S0
S1
S2
S3
S4
T

Trạng thái ngắt mạch

Hình 2.7: Giản đồ x ng đi u chế sóng Sin cho nghịch lư tăng áp cải tiến
2.1.5 So sánh nghịch ưu tăng áp cả t n với nghịch ưu tăng áp t u n th ng.
Từ Bảng 2.1 là các th m số s sánh, có thể d dàng nhận thấy rằng cấu hình
cấu hình nghịch lư tăng áp một pha cải tiến (qSBI) và cấu hình nghịch lư tăng áp
cơ bản (SBI) có cùng số linh kiện sử dụng nhưng lại nhi

hơn cấu hình nghịch lư

tăng áp tr

hơn h i cấu hình còn lại.

n thống 1 đi-ốt. QSBI cho hệ số tăng áp c

Ngoài ra khi có lỗi hoặc nhi

điện từ (EMI) xuất hiện trong quá trình hoạt động

làm cho hai khóa bán dẫn trên cùng một nhánh đóng đồng thời xảy ra tình trạng
ngắn mạch đối với cấu hình nghịch lư tăng áp tr

các khóa bán dẫn và các linh kiện trên mạch. T

8

n thống thì sẽ xả r hư hỏng

nhi n đối với cấu hình nghịch lư


tăng áp một ph cơ bản và cải tiến thì cho phép hoạt động ở trạng thái ngắn mạch
nên mạch điện vẫn n t àn tr ng trường hợp này.
Bảng 2.1: So sánh các cấu hình nghịch lư tăng áp
Thông số,
Linh kiện sử dụng
Số đi-ốt sử dụng
Số khóa bán dẫn sử dụng
Tụ điện
Linh kiện
thụ động
Cuộn dây
V
Hệ số tăng áp ( = c )
Vdc
Điện áp
stress trên
các khóa
bán dẫn

S0
S1-S4

Điện áp chịu Da
được trên
các đi-ốt
Db

Cấu hình
Truy n thống
5
5
1
1
1
1 D
1
.Vdc
1 D
1
.Vdc
1 D
Không sử dụng

1
.Vdc
1 D
1
.Vdc
1 D
Liên tục hoặc
gián đ ạn

Điện áp cao nhất
trên tụ C
òng điện đầu vào

ƯƠNG 3: SO SÁN
VỚI NGHỊ

Ngh

Ư

NG Ị

ă áp
Cấu hình
SBI Cơ bản
6
5
1
1
1 D
1  2D
D
.Vdc
1  2D
1 D
.Vdc
1  2D
D

.Vdc
1  2D
1 D
.Vdc
1  2D
1 D
.Vdc
1  2D

Cấu hình
qSBI
6
5
1
1
1
1  2D
1
.Vdc
1  2D
1
.Vdc
1  2D
1
.Vdc
1  2D
1
.Vdc
1  2D
1

.Vdc
1  2D

Gián đ ạn

Ư T NG ÁP

ẦU H K T HỢP MẠ

Liên tục

T

N

S

T NG ÁP D -DC

3.1 Đặt vấ đ .
Những nghiên cứu gần đ

chỉ ra rằng,

có các đặc tính giống như bộ

nghịch lư ng ồn Z nhưng chỉ sử dụng một cuộn cảm và một tụ điện. Số lượng các
linh kiện sử dụng trong cấu hình này gần giống với BDI-H. Do vậy việc so sánh 2
cấu hình này nhằm làm rõ hơn v các đặc tính củ chúng. Để so sánh hai cấu hình
bộ nghịch lư nà , việc phân tích nguyên lý hoạt động đối với thành phần một chi u

và xoay chi u cũng như s sánh hiệu suất sẽ được chỉ ra.

9


3.2 Phân tích, so sánh cấu hình BDI-H và qSBI.
3.2.1 Giới thiệu khái quát.
Hình 3.1 giới thiệu cấu hình BDI-H. BDH-I bao gồm một cuộn cảm (L) và
một tụ điện (C),

đi-ốt, 5 khóa bán dẫn và tải thụ động (R và Ll). Điện áp nguồn

Vdc được tăng áp đến một giá trị cố định tại thanh cái DC-link thông qua mạch tăng
áp (boost) DC-DC.
iL

i PN

D

L

S1

S3

i0

L1

Vdc
Vc

S5

R
S2

ì
3.2.2

t uả

S4

3 1: ơ đồ mạch củ bộ nghịch lư

-H

ánh.

Các òng điện trên cuộn cảm của BDI-H lớn hơn củ

và hệ số tăng áp

của bộ BDI-H nhỏ hơn của qSBI với cùng ảnh hưởng ký sinh. Các th m số cụ thể
s sánh được chỉ r tr ng Hình 3.3 ở tr n và ảng 3.1 ưới đ .

ì

3 2:

sánh hệ số tăng áp củ
10

-H và


ả

3.1.

sánh giữ

-H ở c ng đi

kiện đầ và và đầ r

Th m số

qSBI

BDI-H

Vc / Vg

1
1  2D

1

1 D

I in

MI m cos 
2(1  2 D)

I PN

IL

It

(1  D) MI m cos 
2(1  2 D)

I DS15

IL

i Dx

MI m cos 
2(1  2 D)

i Dy

MI m cos 
2(1  D)(1  2 D)

IL

ì

và

3 3:

MI m cos 
(1  D)

2IL
MI m cos 
(1  D)

IL

sánh hiệ s ất củ

MI m cos 
(1  D)

h ng có

-H và

in= 0 và c) in=100

11

-H khi ) in= 0 , b)


ả

3.3

ự
ả

ệ .
3 2. Các th m số linh kiện c ả mạch qSBI thực nghiệm
ệ

T

IGBT - GW30NC60VD (S1-5)

600V, 30A, rs=32mΩ

P30-12 R (đi-ốt)

600V, 30A, rD=23mΩ
CM777125 (142nH/N2), mΩ

C ộn cảm (C re high fl x 0 )
Tụ điện C 680 µF/450VDC

ì

3 4: ết

ố

rC = 1mΩ

ả thí nghiệm ch bộ

với

= 0. . ( ) ạng sóng lúc ổn

định, (b) phóng t các ạng sóng tr ng hình ( ) và (c) TH củ

ƯƠNG 4: Đ

T

Ạ

òng tải.

CHUYỂN ĐỔ T NG ÁP D -DC

4 1 Đặt vấ đ .
Tr ng chương 3 đã đ cập và s sánh v bộ nghịch lư một pha mạch cầu H
kết hợp với mạch tăng áp
và bộ nghịch lư tăng áp (

C-DC (boost DC-DC based H-bridge inverter: BDI-H)

) và ứng ụng tr ng thực tế. Tr ng chương nà sẽ

tập tr ng đ x ất, ph n tích mạch tăng áp
12

C- C tr n cơ sở nghi n cứ các cấ


hình mạch tăng áp

C- C trước đ . Nội

ng nà đã được viết bá và c ng bố

trong [56], [57].

- iến áp Điện áp
1:N
DC cao
- Chỉnh lư

Mạch biến
đổi C-AC

Ng ồn C
điện áp thấp

Tải

H 4.1 (a)

Mạch biến
đổi C-DC

Ng ồn C
điện áp thấp

Điện áp
DC cao

Tải

H 4.1(b)
Hình 4.1: ơ đồ khối mạch biến đổi tăng áp C- C, ( ) là cấ hình cách l ,
(b) là cấ hình kh ng cách l
Tuy nhiên, với các mạch cơ bản truy n thống sẽ khó có thể mang lại được hệ
số tăng áp lớn và chỉ cho hiệu suất thấp.
4.2 Bộ chuyển đổ ă

áp D -D

á

độ lợi cao.

4.2.1 Đ xuất cấu hình chuyển đổ tăng áp DC-DC không cách

độ lợi cao.

Mạch tăng áp DC/DC

không cách ly
Ng ồn DC thấp

DC
DC

Điện áp DC
mức cao

Hình 4.2: ơ đồ khối mạch tăng áp.
Hình 4.2 thể hiện sơ đồ khối mạch tăng áp độ lợi cao, tạ r điện áp DC có giá trị
cao khoảng 200-400V với nguồn điện áp một chi u ngõ vào là nguồn năng lượng tái
tạo có giá trị thấp (thường 20-30VDC). Hình 4.3(a) là cấu hình đ xuất.

13


Hình 4.3: Bộ chuyển đổi tăng áp C- C kh ng cách l có độ lợi cao và dạng sóng
x ng đi

Hình 4.4: Độ lợi tăng áp củ bộ ch

khiển.

ển đổi đ x ất tr ng chế độ DCM / CCM

Bảng 4.1: Các linh kiện dùng trong mô hình thí nghiệm của mạch đ xuất:
STT
1
2

3
4
5
6

Linh kiện
Cuộn dây L
Tụ Ca, Cb, C2, C3
Tụ C1
Đi-ốt a, Db, D1, D2, D3
Mosfet S0
Tải R

14

Tên/Giá trị
0.4mH;20A
220uF;400V
470uF;400V
DSEI60-06A
88N65M5
200Ω


Bảng 4.2: Các thông số của cấu hình đ xuất:
Thông số

Giá trị
200W
20-30V

200V
50Khz
≤ 20%
≤ %
≤ %

Công suất ngõ ra
Điện áp đầu vào, Vdc
Điện áp đầu ra, Vout
Tần số đóng cắt
Độ ripple của òng điện (a)
Độ ripple củ điện áp trên tụ C (b)
Độ ripple củ điện áp trên tụ C2 (d)
4.2.2 K t quả mô phỏng

th c nghiệm.

 K t quả mô phỏng

Hình 4.5: ết

ả m phỏng

( ) Điện áp ng và , điện áp ng r , điện áp trên C1 và C2, dạng sóng dòng ngõ vào.
(b) Dạng sóng củ điện áp trên S0, đi-ốt

a

và D1.

Hình 4.5 chỉ ra kết quả mô phỏng của bộ chuyển đổi đã đ xuất với Vdc=25V và
=0,

ch điện áp ngõ ra là 234V bằng với tính toán lý thuyết. Mạch hoạt động ở

chế độ òng điện liên tục.
 K t quả

ự nghiệm

Hình 4.7 chỉ ra các kết quả thực nghiệm cho bộ chuyển đổi đ xuất tương ứng
với hệ số D = 0.68 và điện áp ngõ vào Vin = 25 (V).

15


Hình 4.6: M hình thực nghiệm

Hình 4.7: ết

ả thực nghiệm

(a) Dạng sóng của òng điện và điện áp trên khóa bán dẫn MOSFET
(b) Dạng sóng òng điện ng và và điện áp ngõ ra
(c) Dạng sóng dòng và áp trên các đi-ốt Da, Db
(d) Dạng sóng dòng và áp trên các đi-ốt
16


ƯƠNG 5: G ÉP TẦNG NGHỊ

Ư T NG ÁP A P A

Tr ng chương nà sẽ đ cập v các cấ hình nghịch lư đ bậc tr

n thống,

cải tiến với những ư , nhược điểm củ từng l ại. Tr n cơ sở nà và những kết

ả

được ph n tích chỉ r tr ng các chương trước, đ x ất cấ hình nghịch lư tăng áp
ba ph ghép tầng đ bậc sử ụng nghịch lư tăng áp cải tiến tr ng mỗi m
ng củ chương nà

ự tr n kết

C - tr n tạp chí M P
có nhi

ả đã được c ng bố tr n tạp chí

0 ) và các hội nghị 23 , 2 ,

ư điểm m ng tính khả thi c

,

le. Nội

ốc tế (bài bá

9 .Đ

là cấ hình

khi áp ụng ch các ng ồn năng lượng mới,

nhất là ng ồn năng lượng tái tạ . ết quả m phỏng và thực nghiệm được thực hiện
cho cấ hình đ x ất để kiểm chứng những ph n tích từ lý th

51 ấ

ì

p ầ

p

Phase A

Vdc1A
C1A

Phase C

Vdc1C
C1B

C1C

Vdc2C

Vdc2B
C2A

ố

Phase B

Vdc1B

Vdc2A

ết.

C2C

C2B

Hình 5.1: Bộ nghịch lư áp đ bậc dạng C sc e b ph tr

n thống

Hình 5.1 là cấ trúc cơ bản của bộ nghịch lư tăng áp đ bậc b ph tr

n

thống kiểu ghép tầng (c sc e ). Tr ng đó sử dụng các nguồn một chi u (DC) ở
đầ và ri ng biệt, cấ hình nà thích hợp ch những trường hợp sử dụng nguồn

một chi

C ở ng và có sẵn (ví dụ ưới dạng acquy, pin..). Bộ nghịch lư kiểu

cascaded gồm nhi u bộ nghịch lư cầu H một pha ghép nối tiếp với nh . Ư nhược
điểm củ bộ nghịch lư kiể nà đã được chỉ r tr ng chương tổng

17

n.


Một cách khái

át, bộ nghịch dạng cascaded gồm n bộ nghịch lư áp một

pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghich lư ch r điện áp đ (2n 1) bậc.
Tần số đóng ngắt trong một linh kiện có thể giảm đi n lần và điện áp rơi các
linh kiện cũng có thể giảm rất nhi . ì thế mà ch phép chúng t sử dụng linh kiện
có điện áp chị được ở mức thấp. T

nhi n cần phải sử dụng biến áp ở ng r ; đi u

này sẽ làm cho cấu trúc của mạch phức tạp cũng như kết cấu của thiết bị cồng k nh
hơn, giá thành chi phí sẽ c

5.2 Đ

hơn.

ấ cấu hình ghép tầng ngh

ă

áp

p

-qsBI).

5.2.1 Giới thiệu cấu hình.
Phase A

Phase B

L1B

L1A
S1A

Vdc1
S0aA

C1A

S1B

Vdc3
S2A

L1C

S3A

Da1A
S4A

S0aB

S3B

Da1B

C1B

Vdc5
S2B

S0aC

S4B

Db1B

Db1A

S5A

S0bA

C2A

Db2A

S5B

Vdc4
S6A

S8A

S0bB

S3C

C1C

S2C

S4C

S5C

S7C

S6C

S8C

L2C

S7A

Da2A

S1C

Da1C

Db1C

L2B

L2A
Vdc2

Phase C

S7B

Da2B

C2B

Vdc6
S6B

S0bC

S8B

Db2B

Da2C

C2C

Db2C
N

Hình 5.2: Cấu hình nghịch lư tăng áp 3 ph đ xuất (CHB-qSBI)

5.2.2 Phân tích ho t động của cấu hình đ xuất.
Mỗi module có 3 trạng thái hoạt động bao gồm trạng thái ngắn mạch thứ nhất,
trạng thái ngắn mạch thứ 2 và trạng thái không ngắn mạch như được chỉ ra trong
Hình 5.3. Trong 1 chu k chuyển mạch T, cầu H có 2 lần bị ngắn mạch như thể hiện
trong Hình 5.3. Với T0 là tổng thời gian cầu H bị ngắn mạch trong 1 chu k chuyển
được định nghĩ như s :

mạch, tỷ số ngắn mạch trong mỗi chu k

D

T0
T

(5.1)

Trong trạng thái ngắn mạch thứ nhất trong thời gian là (0.5- /2).T như được
chỉ ra trong Hình 5.3(a), khóa bán dẫn S0 và đi-ốt

18

a1

dẫn tr ng khi đó

b1

bị phân


cực ngược. Cuộn cảm lư trữ năng lượng trong khi tụ điện xả năng lượng. Ta thu
được các phương trình tương ứng:

L1

diL1
dt

Vdc1

(5.2)

Trong trạng thái ngắn mạch thứ h i như được chỉ ra trong Hình 5.3(b) với tổng
thời gian là D.T, khóa bán dẫn S0 ngắt , đi-ốt

b1

và Da1 bị phân cực ngược. Cuộn

cảm lư trữ năng lượng trong khi tụ điện xả năng lượng. T th được các phương
trình tương ứng:

L1

diL1
dt

Vdc1

Vc1

(5.3)

Trong trạng thái không ngắn mạch như được biểu di n trong Hình 5.3(c) với
thời gian (0.5-D/2).T, bộ nghịch lư có 2 trạng thái tích cực và 2 trạng thái không.
Trong suốt quá trình này S0 được kích ngắt, 2 đi-ốt

a1

và Db1 dẫn điện. Tụ điện

được nạp năng lượng từ nguồn đến tải.

L1

diL1
dt

Vdc1 Vc1

(5.4)

Lập phương trình điện áp trung bình qua các cuộn dây và cho các giá trị trung
bình này bằng không. Theo lý thuyết cân bằng điện áp của cuộn dây, từ các c ng
thức ( .2), ( .3) và ( . ) t được:

2
Vdc1
1 3D

Vc1
iin

iin

L1
vL1

Vdc1

iPN1
iC1

S0a

iin

L1

C1
D1b

(a)

Vdc1

vPN1
Vc1

D1a
iC1

S0a

L1
vL1

vL1

D1a

(5.5)

C1
D1b

(b)

Vdc1

vPN1
Vc1

D1a
iPN1
iC1

S0a

C1
D1b

vPN1
Vc1

(c)

Hình 5.3: Ba trạng thái hoạt động của 1 module nghịch lư tăng áp; ( ) Trạng thái
ngắn mạch 1; (b) trạng thái ngắn mạch 2; (c) Trạng thái không ngắn mạch.
19


Giá trị đỉnh củ điện áp đặt l n th nh cái

C chính là điện áp trên tụ điện xảy ra

trong trạng thái không ngắn mạch Hình 5.3(c) ta có:

VˆPN 1

Vc1

2
Vdc1
1 3D

(5.6)

Từ phương trình ( . ), t nhận thấy rằng hệ số tăng áp của mỗi module nghịch
lư tăng áp tr ng cấ hình đ xuất có hệ số tăng áp c
truy n thống, nghịch lư tăng áp cơ bản (
phương pháp PWM tr

n thống.

)h

hơn của nghịch lư tăng áp

là củ nghịch lư ng ồn Z với

sánh thể hiện chi tiết có tr ng bảng .1.

Từ bảng 5.1, có thể d dàng nhận thấy rằng cấu hình nghịch lư tăng áp ghép
tầng trên 1 pha và cấu hình nghịch lư tăng áp cơ bản có cùng số linh kiện sử dụng
nhưng lại nhi

hơn cấu hình nghịch lư tăng áp tr

hình này lại cho hệ số tăng áp c

n thống 2 đi-ốt. Tuy vậy cấu

hơn h i cấu hình còn lại.

Bảng 5.1: So sánh các cấu hình ghép tầng nghịch lư tăng áp
Thông số,
linh kiện sử dụng
Số đi-ốt sử dụng
Số khóa bán dẫn sử dụng
Tụ điện
Linh kiện
thụ động
Cuộn dây
V
Hệ số tăng áp ( = c )
Vdc
Điện áp
stress trên
các khóa
bán dẫn
Điện áp
stress tr n
các đi-ốt

S0
S1-S4
Da
Db

Điện áp stress trên tụ C
òng điện đầu vào

Cấu hình ghép tầng ngh
(Trên một module ủ
Truy n thống
Cơ bản
10
12
10
10
2
2
2
2
1 D
1
1  2D
1 D
D
1
.Vdc
.Vdc
1  2D
1 D
1 D
1
.Vdc
.Vdc
1  2D

1 D
D
.Vdc
Không sử dụng
1  2D
1 D
1
.Vdc
.Vdc
1  2D
1 D
1
1 D
.Vdc
.Vdc
1 D
1  2D
Liên tục hoặc
Gián đ ạn
gián đ ạn

20

ă áp
ột pha)
Đ xuất
12
10
2
2

1
1  2D
1
.Vdc
1  2D
1
.Vdc
1  2D
1
.Vdc
1  2D
1
.Vdc
1  2D
1
.Vdc
1  2D
Liên tục


Phase A

Phase B
C3B

C3A
L1A D1A

L1B D1B

L2A
C1A

C3C

L2B

L1C D1C

C1B
Vdc1C

C4B

C4A
L3B D2B

L4A
C2A

C4C

L4B

L3C D2C

C2B

Vdc2A

L4C
C2C

Vdc2B

Vdc2C

Hình 5.4: Cấu hình nghịch lư tăng áp 3 ph ng ồn

(CH -qZBI)

Bảng 5.2: So sánh cấu hình ghép tầng nghịch lư tăng áp CH á

L2C
C1C

Vdc1B

Vdc1A

L3A D
2A

Phase C

ố

- ZS

và CH - S

ố lượng c ộn cảm

12

6

ố lượng tụ điện

12

6

ố lượng đi-ốt

30

36

ố lượng ch ển mạch

24

30

VC1 = VC2

1 D
Vdc
1  2D

2
Vdc
1  3D

VC3 = VC4

D
Vdc
1  2D

Điện áp tr n tụ

h ng có

Điện áp tr n th nh cái, VPN

1
Vdc
1  2D

2
Vdc
1  3D

Điện áp rơi tr n đi-ốt, VD

1
Vdc
1  2D

2
Vdc
1  3D

Điện áp rơi tr n ch

1
Vdc
1  2D

2
Vdc
1  3D

M
2M  1

2M
3M  2

Liên tục

Li n tục

ển mạch, VS

Độ lợi tăng áp G củ mỗi m

le

òng và

21


Hình 5.5:

sánh hệ số độ lợi tăng áp củ CH -

và CH -qZSI

- ỹ th ật đi u chế (PWM) cho (CHB-qSBI):
Hình 5.7 biểu di n kỹ thuật đi u chế PWM 3 trạng thái cho pha A của cấu hình
ghép tầng nghịch lư tăng áp b ph
. , h i sóng đi u khiển Vđiều

khiển

bậc đ xuất. Như được thể hiện trên Hình

và (–Vđiều khiển) được

ng để so sánh với sóng

mang tần số cao Vtri nhằm phát ra tín hiệ đi u khiển các khóa bán dẫn S1 đến S4
trên module thứ nhất củ Ph

. Đồng thời, một đường thẳng có giá trị điện áp

kh ng đổi VSH1 được sử dụng để so sánh với sóng mang tần số cao *Vtri (đường
gạch đứt) có bi n độ bằng một nữa sóng mang tần số cao Vtri và tần số gấp đ i sóng
mang tần số cao Vtri để phát ra tín hiệu ngắn mạch.

đó, tín hiệu ngắn mạch này

được chèn vào các tín hiệ đi u khiển của các khóa bán dẫn từ S1 đến S4 thông qua
cổng l gic ( R) để phát ra trạng thái ngắn mạch trong cầu nghịch lư .

n cạnh đó,

đường thẳng có giá trị điện áp kh ng đổi VSH1 cũng được sử dụng để so sánh với
sóng m ng răng cư tần số cao Vrc có bi n độ bằng sóng mang tần số cao Vtri và tần
số gấp đ i sóng mang tần số cao Vtri để phát ra tín hiệ đi u khiển khóa bán dẫn S0.
Kết quả là, Điện áp ngõ ra vo1 của module cầu H thứ nhất là dạng 3 bậc: (-VPN1), 0,
(+VPN1). Tương tự như m

le thứ nhất, đối với module thứ 2 của pha A, 2 sóng

mang số cao *Vtri và Vrc được dịch đi 1 0o tr ng khi đó sóng m ng số cao Vtri được
dịch đi 90o để đi

khiển các khó bán ẫn trên module thứ 2. Kết quả là, Điện áp

ngõ ra vo2 của module cầu H thứ h i cũng có ạng 3 bậc: (-VPN2), 0, (+VPN2). Điện
áp ngõ ra trên pha A của cấu hình ghép tầng nghịch lư tăng áp nà là tổng của vo1

22

và vo2. Vì vậ , điện áp ra củ ph

trước lọc có ạng 5 bậc. Tương tự với 2 pha

còn lại, 2 sóng đi u khiển Vđiều khiển và (–Vđiều khiển) được dịch đi 1200 và 2400 để phát
ra tín hiệ đi u khiển các khó tương ứng tr n ph
Giá trị đỉnh củ điện áp mỗi m

v01

và ph C.

le được xác định:

M .VPN1

M.

2
.Vdc1
1 3D

(5.7)

Tr ng đó, M là hệ số đi u chế độ rộng x ng. Độ lợi điện áp nghịch lư tr n mỗi
m

le được định nghĩ :

G

v01
Vdc1

M .B

M.

2
1 3D

(5.8)

The phương pháp đi u chế độ rộng x ng tr ng hình .11, kh ảng thời gian
ngắn mạch chỉ n n được thêm vào trong trạng thái kh ng (zer st te) để đảm bảo
quá trình ngắn mạch không làm ảnh hưởng đến chất lượng dạng sóng ngõ ra. Vì thế
tỷ số ngắn mạch được giới hạn bởi D ≤ (1 – M). Để đạt được giá tri điện áp ngõ ra
lớn nhất, th ng thường

được chọn bằng (1 – M). Do vậ phương trình ( . ) có thể

được viết lại:

G

M .B

2M
3M 2

Hình 5.6: Giản đồ th ật t án đi

23

khiển đi

(5.9)

chế PWM


vrc
2VP

VP
VSH1

vĐ
-vĐ

*vtri

u kh ển

u kh ển

-Vm1

vtri

0.5(1+D1)T

S01A
S11A
S12A

S13A
S14A

D1T

vo1
VP
VSH2
0

-Vm2

vo2
vo

(a)
T
1

VSH

Vm

vĐiều khiển

vtri1
0

t
-vĐiều khiển
-VSH
Tín h ệu ngắn M ch
t ên cầu H

t

S0

t

∆iL
T/4+T0/4

T0/2

ii

t

(b)

Hình 5.7: Giản đồ chế độ rộng xung PWM. (a) Kỹ thuật đi u chế độ rộng xung
PWM; (b) Biểu di n PWM trong 1 chu k T.

24