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

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

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

CHƯƠNG 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

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGHỊCH LƯU 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

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

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 3.23 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 n c n

CHƯƠNG 1 TỔN HAO TRONG BỘ BIẾN ĐỔI

1.1 Các vấn đề chuyển mạch van trong bộ biến đổi

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

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

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)

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 I0  1A,E0  12V ,

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

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

- 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

van được chuyển sang tiêu tán bớt trên các mạch trợ giúp chứ không phải được triệt

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:

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

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 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 lưu c uyển mạch cứng ông ường

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

Trong mạch thể hiện trong hình 1.6, các cực dương và âm của điện áp một

0, tranzito khóa Hệ số khuếch đại của tranzito β được xác định bằng tỉ lệ dòng cực

B

I I

lúc này tranzito như một khóa điện tử, có khả năng đóng cắt dòng điện Trong các

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:

Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi

Nếu Q2 dẫn và dòng tải âm:

dòng tải và điện áp rơi trên phần tử bán dẫn Khi Q1 dẫn và dòng tải dương, tổn hao công suất là:

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

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

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:

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

tranzito Q1 đều dẫn Tuy nhiên với D2 dẫn, điện áp tải vẫn được nối với cực âm

Do đó sinh một lượng lớn tổn hao công suất trên Q1 trong giai đoạn này của quá

Kết quả là tổn hao công suất trên Q1 trong khoảng thời gian này coi gần đúng là

tổn hao được sinh ra bởi một phần dòng tải chảy qua D2

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

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

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)

trong quá trình chuyển mạch là:

diot trong quá trình chuyển mạch của dòng tải được tính bằng:

chuyển mạch hoàn tất Lúc này tổn hao chỉ còn là tổn hao dẫn trên Q1, tổn hao này

Tổn hao dẫn trên Q1 được tính bằng:

E P dt V i dt (1.18)

1.2.3 Tổn hao quá trình khóa của tranzito

dẫn dòng tải, tổn hao lúc đầu là tổn hao dẫn của Q2 Tổn hao năng lượng dẫn cho

Chương 1: Tổn hao trong bộ biến đổi

Q con Q CE sat load

Tổn hao năng lượng có dấu âm vì trong thời gian này dòng tải âm, mà tổn

diễn ở hình 1.9

Để chuyển mạch điện áp đầu ra, tranzito Q2 được khóa lại và sau một

1.9

Hình 1.9 Dạng áp, dòng và tổn hao khi khóa của một BJT [1]

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

sự chuyển mạch của dòng tải có thể được xấp xỉ bằng tích của dòng trung bình qua

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:

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

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NGHỊCH LƯU 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:

off on s sw.sw.on 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

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

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 lưu cộng ưởng

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:

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,

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP

nó cũng như một mạng hai cửa điện áp Điều này dẫn đến việc phải sử dụng van hai chiều giống như trình bày ở hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng khâu AC

a Bộ cộng hưởng song song PRC

b Bộ cộng hưởng nối tiếp SRC Trong BBĐ cộng hưởng song song PRC, dao động điện áp được tạo ra trên mạch cộng hưởng cho phép ZVS sau mỗi một nửa chu kỳ hoạt động Trong nghịch lưu nguồn áp thông thường một tụ điện lớn được kết nối ở khâu DC giống như một thành phần lưu trữ năng lượng để cung cấp dòng điện có tốc độ thay đổi nhanh chảy

ra từ khâu DC Trong BBĐ cộng hưởng khâu AC thì thành phần mạch cộng hưởng

LC đóng vai trò là khâu lưu trữ năng lượng, tuy nhiên khả năng lưu trữ nhỏ hơn nhiều so với tụ điện ở nghịch lưu nguồn áp thông thường Bất cứ sự mất cân bằng nào giữa dòng điện chảy vào và chảy ra khỏi khâu đều ảnh hưởng xấu đến dạng sóng trên khâu điều này dẫn đến dạng sóng đầu ra bị lỗi và ảnh hưởng đến các vấn

đề bảo vệ thiết bị Để giới hạn sự thay đổi của dạng sóng thì công suất đầu vào và đầu ra của khâu phải được giữ cân bằng để duy trì năng lượng không đổi trên khâu

v ac

i ac

b) a)

BBĐ cộng hưởng nối tiếp SRC được kích thích bằng cách điều chỉnh điện áp rơi trên cuộn cảm cộng hưởng dẫn đến xuất hiện một dòng điện hình sin tần số cao chảy qua mạch cộng hưởng Sau mỗi nửa chu kỳ của khâu cộng hưởng, dòng điện vượt qua điểm không và đảo hướng tại thời điểm này các ma trận van có thể được chuyển mạch dưới điều kiện ZCS Khi dòng điện vượt không một cách tự nhiên thì các van không cần thiết phải chuyển mạch mà các van thyristor kết nối song song ngược được sử dụng làm van hai chiều Một nhược điểm cố hữu của BBĐ cộng hưởng nối tiếp là mạch cộng hưởng cho toàn bộ công suất truyền qua do vậy nó phải mang toàn bộ dòng tải Điều này dẫn đến tổn thất tương đối lớn trên mạch cộng hưởng

Cả hai cấu trúc mạch cộng hưởng AC nói trên đều đòi hỏi sự chuyển mạch

du

nghịch lưu do vậy rất ngắn nên độ chính xác về thời gian của loại mạch này rất cao

b) Bộ biến đổi cộng hưởng khâu DC

Hai mạch cộng hưởng khâu DC được trình bày ở hình 2.4 Trong cả hai loại mạch này dạng sóng đầu ra có tần số cao và dạng sóng được nâng lên (offset) một lượng DC để thành một chiều Trong khi mạch cộng hưởng song song được trang bị thêm một tụ điện DC để làm nhiệm vụ offset thành phần điện áp DC thì mạch cộng hưởng nối tiếp được trang bị cuộn cảm để làm nhiệm vụ offset thành phần dòng điện DC Điện áp và dòng điện trên khâu chỉ thay đổi trên một cực nghĩa là thành phần một chiều vì vậy các thành phần van của bộ biến đổi được lựa chọn tương ứng như hình 2.4

Trong BBĐ cộng hưởng song song khâu DC, mạch cộng hưởng được kích thích bởi nghịch lưu phía tải bằng cách trước tiên đóng tất cả các van để phun một dòng điện khởi tạo đến cuộn cảm Khi dòng điện này đạt đến một mức nào đó, một nửa số van được mở và điện áp cộng hưởng đầu tiên gấp hai lần điện áp nguồn cung cấp sau đó nó quay về không tại thời điểm mà nghịch lưu cầu có thể ngắn mạch để tạo đủ năng lượng cho chu kỳ cộng hưởng tiếp theo Dòng điện ban đầu đòi hỏi phải điều khiển được để bù cho tổn thất trong mạch cộng hưởng và các van chuyển

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP

lai Dao động của điện áp trên khâu cho phép ZVS của các van nghịch lưu ở mỗi chu kỳ điện áp Tuy nhiên, điện áp trên van nghịch lưu bị kéo căng do hoạt động của các thành phần LC trong mạch cộng hưởng Một chu kỳ cộng hưởng khâu DC được khởi tạo bằng một giá trị năng lượng cố định ban đầu trên mạch cộng hưởng

để đảm bảo điện áp có thể đưa về không dưới các điều kiện tải thay đổi tức thời

Hình 2.4.Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng khâu DC

a Bộ cộng hưởng song song PRC

b Bộ cộng hưởng nối tiếp SRC Trong BBĐ cộng hưởng nối tiếp khâu DC, mạch cộng hưởng được kích thích bằng cách nạp xả tụ cộng hưởng cùng với một điện áp khởi tạo ban đầu Điều này được thực hiện bằng cách mở tất cả các van của nghịch lưu phía tải tạo ra dòng

Điện áp khởi tạo đóng một vai trò giống như dòng điện khởi tạo trong sơ đồ mạch cộng hưởng song song nghĩa là để bù tổn thất trên mạch cộng hưởng và để tạo ra một năng lượng phù hợp đến khâu cộng hưởng để duy trì điều kiện vượt không cho mỗi chu kỳ cộng hưởng Sau khi nạp xả, một chu kỳ cộng hưởng được bắt đầu bằng việc đóng các van phù hợp ở nghịch lưu phía tải Khi dòng điện trên khâu đến

hưởng được xả ngay tại thời điểm này và điện áp ngược do đó được áp đến các van Điện áp ngược sau đó sẽ giảm cùng với tốc độ nạp được xác định bởi dòng điện trên khâu DC và giá trị tụ điện cộng hưởng

Giống như các mạch cộng hưởng khâu AC, mạch cộng hưởng khâu DC chỉ cho phép chuyển mạch ở những thời điểm rời rạc Do đó, với một chiến thuật điều chế phù hợp thì xung cộng hưởng sẽ chứa bên trong điện áp và dòng điện đầu ra Hai mạch cộng hưởng khâu DC ở trên được offset bởi một lượng DC, điều này dẫn đến việc hai sơ đồ này rất nhạy với tổn thất trên khâu cộng hưởng LC Nếu một năng lượng không phù hợp được bơm đến khâu cộng hưởng để bù tất cả các tổn thất thì dòng điện hoặc điện áp khởi tạo sẽ bị tổn thất và chuyển mạch mềm sẽ không thể thực hiện được Không giống như sơ đồ cộng hưởng khâu AC, chuyển mạch có thể

bằng không hoặc dòng điện bằng không tồn tại phụ thuộc vào khoảng thời gian cầu nghịch lưu ngắn mạch hoặc mở để bơm năng lượng đến khâu cộng hưởng ở chu kỳ trước

c) Nghịch lưu cộng hưởng kẹp khâu DC

Một cách để giảm ứng suất của điện áp trên khâu cộng hưởng trong nghịch lưu cộng hưởng khâu DC là thêm một đoạn mạch vào khâu cộng hưởng được mô tả

khâu DC (ACRDCLI) đơn giản được thể hiện ở hình 2.5

Nghịch lưu ACRDCLI hoạt động như sau: Bắt đầu, khâu DC được ngắn mạch bằng cách đóng tất cả các van ở bộ nghịch lưu để bơm một năng lượng điện

từ đến cuộn cảm cộng hưởng Khi ngắn mạch ở một thời gian phù hợp thì điện áp

bắt đầu dẫn do giới hạn điện áp trên khâu Van kẹp có thể được bật dưới điều kiện ZVS và cuối cùng sẽ dẫn thay cho diot kẹp Việc tích điện truyền cho tụ kẹp bây giờ được phục hồi Khi nạp điện đạt đến không thì van kẹp S7 được tắt và khâu LC bắt đầu cộng hưởng để quay về điện áp không

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP

Hình 2.5 Nghịch lưu cộng hưởng ACRDCLI Mặc dù giảm được ứng suất điện áp tuy nhiên nó dẫn đến việc giảm tần số

nguyên lý hoạt động này có thể hoạt động trên một dải công suất rộng với tần số chuyển mạch nhỏ hơn 60kHz phù hợp cho những van phổ biến như IGBT

2.2.2 H thống cộng ƣởng không liên tục

Giống như mô tả ở phần 2.2.1, nhiều hệ thống chuyển mạch mềm sử dụng khâu cộng hưởng để giảm điện áp đến không tại lúc bắt đầu chu kỳ vì vậy giới hạn chuyển mạch bộ nghịch lưu ở đầu chu kỳ cộng hưởng

Tuy nhiên, một vài nghiên cứu gần đây đã phát triển những hệ thống cộng hưởng không liên tục để khắc phục những nhược điểm này ([12], [13]) Ý tưởng chính là ưu tiên cộng hưởng khâu DC đến không khi có nhu cầu nghĩa là khi các van nghịch lưu đòi hỏi Một ý tưởng điển hình là các bộ nghịch lưu cộng hưởng điểm cực được đề xuất ở phía dưới

Hầu hết các phát triển gần đây chỉ chú trọng đến việc thêm các mạch cộng hưởng LC nhưng cũng có một số ý tưởng thêm các van vào khâu cộng hưởng để cho phép bắt đầu chu kỳ cộng hưởng ở bất cứ thời điểm nào mong muốn

a) Nghịch lưu cộng hưởng điểm cực

cấu hình lên bộ nghịch lưu điểm cực cùng mạch cộng hưởng LC để cung cấp điều kiện chuyển mạch ZVS cho cả hai van

I O

Hình 2.6 Nghịch lưu cộng hưởng điểm cực và dạng sóng đầu ra Hoạt động của mạch theo tuần tự: chuyển mạch mềm nghĩa là van được bật sau đó diot ngược được dẫn Do đó van S1 được giữ ở trạng thái dẫn cho đến khi

áp nguồn cấp, do đó cưỡng bức diot D2 dẫn Điện áp không lúc tắt được cung cấp

đầu một chu kỳ mới Sơ đồ nghịch lưu cộng hưởng điểm cực và dạng sóng đầu ra của nó được thể hiện ở hình 2.6

Để sử dụng nguyên lý cộng hưởng điểm cực cho bộ biến đổi DC/AC thì một

R

Để sinh ra dòng trung bình

thể được tạo ra bằng cách thay đổi ngưỡng dòng một cách phù hợp Hình 2.8 trình

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP

Hình 2.7 Nghịch lưu điểm cực một pha cùng lọc đầu ra Chuyển mạch van tức thời được thực hiện bởi hai điều kiện Thứ nhất, để đảm bảo chuyển mạch ZVS thì dòng điện qua van phải bị tắt Thứ hai biên độ dòng điện này phải phù hợp để cộng hưởng với điện áp cưc làm cho điện áp nguồn giảm tạo điều kiện cho diot song song ngược của van được dẫn trước khi van nhận được tín hiệu bật

Hình 2.8 Nghịch lưu điểm cực ba pha Hiệu suất của hệ thống bị giới hạn bởi sự ràng buộc của tần số chuyển mạch với sự thay đổi của điện áp đầu ra Trong [3], trình bày rằng đối với một dòng tải

chuyển mạch bằng không Do đó, chỉ số điều chế cực đại thu được bị giới hạn bởi tần số chuyển mạch nhỏ nhất chấp nhận được

Một nhược điểm khác của RPI là đòi hỏi tụ lọc có giá trị lớn điều này sẽ làm tăng giá thành đối với các hệ truyền động công suất lớn

b) Nghịch lưu cộng hưởng song song khâu DC (PRDCLI)

Một số sơ đồ cộng hưởng không liên tục sử dụng khâu cộng hưởng song song phù hợp để kết hợp với van bán dẫn ([15], [16]) Khâu cộng hưởng chỉ hoạt động khi điện áp giảm về không để chuyển mạch các van nghịch lưu Hình 2.9 trình bày hai sơ đồ cơ bản của mạch nghịch lưu PRDCLI

Cả hai mạch cơ bản này đều có nguyên lý cơ bản giống nhau Cuộn cảm cộng hưởng được nạp trước tiên bởi dòng khởi tạo Sau đó, van S1 được mở để tách rời hai phần nghịch lưu và chỉnh lưu Năng lượng được lưu trữ trên cuộn cảm cộng

trên khâu này được đưa về không Sau khi ma trận van của bộ nghịch lưu được cấu hình lại, thì điện áp trên tụ được nạp đến mức điện áp nguồn cung cấp cùng với năng lượng lưu trữ trên cuộn cảm cộng hưởng và S1 được đóng lại Chu kỳ được bắt đầu bằng cách đóng S2 hoặc S3 và có thể bắt đầu tại thời điểm mong muốn

Hình 2.9 Hai sơ đồ cơ bản mạch nghịch lưu PRDCLI

Vs

S1 S2

S3 D3

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP

Ưu điểm chính của loại mạch lực này là:

- Điện áp trên khâu DC cộng hưởng đến mức điện áp nguồn cung cấp và trở lại điểm không rồi lại quay lại giá trị điện áp nguồn cấp để bắt đầu một chu kỳ Do vậy, điện áp rơi trên các van của nghịch lưu không vượt quá nguồn cung cấp

- Chu kỳ cộng hưởng có thể bắt đầu ở bất kỳ thời điểm nào cho phép van nghịch lưu chuyển mạch ở những thời điểm mong muốn

2.3 Cấu trúc và nguyên lý hoạ động của nghịc lưu ARCP

Nghịch lưu ARCP là một loại thuộc lớp các bộ nghịch lưu cộng hưởng điểm cực, cấu trúc mạch lực của nó về cơ bản giống với mạch nghịch lưu chuyển mạch cứng PWM, mạch cộng hưởng được kết nối trực đến điểm cực và có thể quyết định thời điểm cộng hưởng của mạch qua các van phụ ([8], [9], [10])

2.3.1 Cấu trúc mạch l c nghịc lưu ARCP

Hoạt động của bộ nghịch lưu ARCP tương tự như nghịch lưu chuyển mạch cứng PWM, nó chỉ khác ở giai đoạn chuyển mạch của các van bán dẫn Đối với nghịch lưu PWM chuyển mạch đơn thuần chỉ là việc hai van trên cùng một nhánh không được cùng dẫn, một van dẫn thì chắc chắn van còn lại không được dẫn Do

đó, trong trường hợp lý tưởng điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu thay đổi tức thời từ

dc

cắt thì chuyển mạch được thực hiện bằng việc thêm một mạch cộng hưởng vào mạch nghịch lưu trong một khoảng thời gian hữu hạn

Hình 2.10 Cấu trúc mạch lực nghịch lưu ARCP

Mạch ARCP một pha được thể hiện ở hình 2.10 Nó bao gồm:

- Hai van chính S1, S2 cùng với hai diot dẫn dòng ngược tương ứng là D1, D2

- Hai van cộng hưởng A1, A2 có diot dẫn dòng ngược

Hai van chính S1, S2 hoạt động giống với hai van của bộ nghịch lưu chuyển

trị bằng 0 thì S2 dẫn Hai van cộng hưởng A1, A2 có nhiệm vụ nối cuộn cảm cộng hưởng và quyết định thời điểm và khoảng thời gian xảy ra hiện tượng cộng hưởng trong mạch

Mạch cộng hưởng được đưa vào trong quá trình chuyển mạch sẽ được giải

của nghịch lưu ARCP Các tụ nguồn DC có giá trị lớn để cung cấp điện áp có giá trị

2

dc

hai tụ thì một điện áp AC sẽ được cấp cho tải với độ offset DC bằng

2

dc

điện tải là không đổi trong thời gian xảy ra cộng hưởng

2.3.2 Quá trình chuyển mạch của nghịc lưu ARCP

Để xem xét quá trình chuyển mạch ARCP một cách chi tiết ở đây chúng ta sẽ

đi xem xét từng giai đoạn nhỏ trong một chu kỳ chuyển mạch của bộ nghịch lưu ARCP một pha

2.3.2.1 Giai đoạn ban đầu

Ở trạng thái ban đầu giả sử D2 dẫn toàn bộ dòng điện tải và điện áp đầu ra 0

f

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP

đầu của hai tụ sao cho điện thế tại trung điểm hai tụ có giá trị là

Hình 2.11 Giai đoạn ban đầu

2.3.2.2 Giai đoạn trước nạp

Để bắt đầu quá trình chuyển mạch thì A2 được bật Điện áp

r

V di

Van chính S2 vẫn đang được bật, dòng tải qua diot D2 bắt đầu giảm dần

2.3.2.3 Giai đoạn nạp tăng dòng trên

trên bắt đầu như hình 2.13 Lượng dòng cộng hưởng vượt qua dòng điện tải sẽ chảy

oos

1

giảm về không để đảm bảo quá trình chuyển mạch mềm ZVS Trong giai đoạn này dòng cộng hưởng vẫn tăng với tốc độ tuyến tính Giai đoạn nạp tăng dòng này được giữ trong một khoảng thời gian phù hợp Mạch cộng hưởng lúc này mang toàn bộ

Hình 2.13 Giai đoạn nạp tăng dòng trên

2.3.2.4 Giai đoạn cộng hưởng trên

Khi năng lượng trong quá trình nạp tăng dòng được thêm vào đủ thì S2 được khóa để bắt đầu quá trình cộng hưởng Dòng điện qua S2 được chia đều ra hai tụ cộng hưởng

2

r

sẽ xuất hiện khi van S2 được tắt nhưng tụ cộng hưởng sẽ hoạt động giống một snubbers để giới hạn tổn thất này Dòng cộng hưởng và điện áp đầu ra bây giờ sẽ

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP

r

tăng dần và đạt được giá trị điện áp cao

Hình 2.14 Giai đoạn cộng hưởng trên Trong khoảng thời gian cộng hưởng, dòng tải có thể xem có giá trị không đổi

Tại thời điểm này van chính S1 được bật ở điều kiện ZVS Đồng thời khi S1 được

Hình 2.15 Giai đoạn bật van S1

2.3.2.6 Giai đoạn giảm dòng

cưỡng bức

2

dc

2

dc r

r

V di

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ARCP

2.3.2.7 Giai đoạn ngắt mạch cộng hưởng

Hình 2.17 Giai đoạn ngắt mạch cộng hưởng

Hình 2.18 Dạng sóng dòng cộng hưởng và điện áp đầu ra giai đoạn cộng

hưởng dòng trên Khi dòng cộng hưởng giảm dần về không, thì A2 được tắt Do A2 tắt khi không có dòng chảy qua nó do đó không có tổn thất trong quá trình khóa A2 Thực

tế A2 phải tắt vào đúng thời điểm dòng cộng hưởng về không, thời điểm này hoàn toàn được tính chính xác Diot song song với A1 cũng không dẫn dòng từ phía cực

âm nữa tuy nhiên vẫn tồn tại tổn thất nhỏ trên diot do tồn tại điện áp rơi trên diot