Nghiên cứu phân tích mô phỏng trạng thái hoạt động của bộ biến đổi AC/DC Double Boost 5 mức khi có sự cố van bán dẫn công suất

7 14 5 4 26 25 
70 
0,1 62 58 6 5 27 25 
0,5 26 22 5 4 27 25 
4. THIẾT KẾ MẠCH PHÁT HIỆN SỰ CỐ 
VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PSIM 
4.1. Mạch phát hiện lỗi khi xuất hiện 
sự cố trên transisto Mos 
Nguyên lý vận hành của mạch phát hiện 
sự cố khi có một lỗi hư hỏng trên transisto 
Mos dựa vào việc phát hiện không có điện 
áp trên van khi mà xuất hiện tín hiệu điều 
khiển khóa van. Để mạch tin cậy, bộ phát 
hiện lỗi sẽ tác động sau khoảng thời gian 
Δt (5µs) (hình 7). Mô hình mô phỏng thực 
hiện trên PSIM được thể hiện ở hình 9. 
Hình 7. Nguyên lý vận hành của mạch phát 
hiện sự cố transitor MOS 
4.2. Mạch phát hiện lỗi khi xuất 
hiện sự cố trên điôt 
Nguyên lý vận hành của mạch phát hiện 
sự cố khi có một lỗi hư hỏng trên điôt dựa 
vào việc tại thời điểm mở van transisto 
Mos: điện áp ở hai đầu của van Mos phải 
giảm về xấp xỉ không (IcRdson), trong 
trường hợp ngược lại điện áp này bằng 
với điện áp của nhóm chuyển mạch (dòng 
bão hòa Ipot chế ngự), có nghĩa rằng có 
một lỗi hư hỏng tổng trở thấp xuất hiện 
trong điôt (hình 8). 
Để mạch tin cậy, bộ phát hiện lỗi sẽ tác 
động sau khoảng thời gian Δt (5µs). Mô 
hình mô phỏng thực hiện trên PSIM được 
thể hiện ở hình 9. 
Hình 8. Nguyên lý vận hành của mạch 
phát hiện sự cố điôt 
Mô hình mô phỏng mạch phát hiện sự cố 
được thực hiện trên PSIM như sau: 
Figure A4.1. Nguyên lý vận hành của mạch phát hiện 
sự cố transito MOS 
Lỗi 
VGS 
VDS t 
t 
t 
15V 
Bình thường 
5µs 
1.2.sự cố trên Điôt 
Nguyên lý vận hành của mạch phát 
hiện sự cố khi có một lỗi hư hỏng trên 
Điôt dựa vào việc tại thời điểm mở 
van transisto Mos : điện áp ở hai đầu 
của van Mos phải giảm về xấp xỉ 
không (IcRdson), trong trường hợp 
ngược lại điện áp này bằng với điện áp 
của nhóm chuyển mạch (dòng bão hòa 
Ipot chế ngự), có nghĩa rằng có một lỗi 
hư hỏng tổng trở thấp xuất hiện trong 
điôt. 
Để mạch tin cậy, bộ phát hiện lỗi sẽ 
tác động sau khoảng thời gian Δt 
(5µs). Mô hình mô phỏng thực hiện 
trên PSIM được thể hiện ở hình  
Figure A4.3. Nguyên lý vận hành của mạch phát hiện sự cố 
điôt 
Sự cố 
Bình thường 
VGS 
VDS 
Tín hiệu phát hiện sự cố 
t 
t 
t 
5µs 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
56 Số 17 
Hình 9. Mô phỏng mạch phát hiện lỗi transisto Mos và điôt trên phần mềm PSIM 
5. PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG TRẠNG 
THÁI HOẠT ĐỘNG CỦA SƠ ĐỒ 
DOUBLE- BOOST 5 MỨC KHI XUẤT 
HIỆN LỖI HƯ HỎNG CỦA TRANSISTO 
VÀ ĐIÔT 
Dựa trên các kết quả nghiên cứu ở [5-6], 
phần này tác giả nghiên cứu và phân tích 
các dạng sóng và các ràng buộc của bộ 
biến đổi công suất Double-Boost năm 
mức để khẳng định nó có thể tiếp tục vận 
hành khi có lỗi điều khiển hoặc lỗi vật lý 
transisto và điôt. 
5.1. Mô phỏng mô hình điện của van 
bán dẫn trong trường hợp sự cố 
Mô hình mô phỏng điện của transitor 
MOS APT60N60BCSG được tác giả đề 
xuất trên hình 10. 
Hình 10. Mô hình các thành phần của Transisto MOS khi có sự cố 
Trong trường hợp hư hỏng vật lý của 
Transisto Mos, một điện trở có giá trị nhỏ 
được kết nối song song trong mô hình mô 
phỏng (hình 10) , tương tự như vậy ta có 
mô hình vật lý của điôt trong trường hợp 
sự cố như sau (hình 11): 
Hình 11. Mô hình các thành phần của điôt 
khi có sự cố 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 17 57 
5.1. Mô phỏng trạng thái hoạt động 
của mạch PFC DB 5 mức ứng 
với trường hợp có lỗi xuất hiện 
trên transisto MOS 
Nếu Mh_p hư hỏng ở dạng điện trở thấp, 
điôt kết hợp với transisto trong cùng một 
nhóm chuyển mạch sẽ bị khóa cho đến 
khi điện áp ở hai đầu tụ Cf1 còn dương. 
Nhóm chuyển mạch này sẽ không hoạt 
động nữa và trong tụ sẽ xuất hiện dòng 
điện một chiều âm làm phóng điện tụ 
(chuyển ngược năng lượng về nguồn). 
Đến thời điểm phóng điện hoàn toàn, bộ 
biến đổi chuyển hoàn toàn từ 5 mức 
xuống 4 mức (hình 12). Transisto bị sự cố 
mắc nối tiếp với Mb_p, nó sẽ có cùng 
dòng điện chạy qua và có tổn thất nhiệt, 
trừ có một dao động nhỏ xuất hiện do có 
một mạch vòng kí sinh “nạp- phóng” 
năng lượng nhỏ của Cf1 (hình 13).Việc 
phóng điện Cf1 làm tăng gấp đôi điện áp 
trên nhóm chuyển mạch thứ 2, việc này 
được chấp nhận bởi vì trong thiết kế đã 
chọn các linh kiện bán dẫn có điện áp 
định mức 600 V đối với điện áp bus một 
chiều là 800 V. Các linh kiện bán dẫn 
hoạt động bình thường ở nửa chu kì âm 
của dòng điện lưới và trong thiết kế của 
sơ đồ khi sự cố xảy ra đến nhóm chuyển 
mạch 1 thì nhóm chuyển mạch 3 và 4 
không bị ảnh hưởng gì. Đó là một điểm 
mạnh nổi bật của sơ đồ Double-Boost 5 
mức.
Hình 12. Kết quả mô phỏng các tín hiệu điện áp, dòng điện 
và tín hiệu điều chế của sơ đồ Double Boost khi có sự cố trên transisto MOS 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
58 Số 17 
Hình 13. Kết quả mô phỏng các tín hiệu điện áp, dòng điện 
và tín hiệu điều chế của sơ đồ PFC Double Boost khi có sự cố trên transisto MOS Mh_p: Zoom 
hoạt động của mạch khi điện áp tụ nổi 1 Vcf1≈ 0 
5.2. Mô phỏng trạng thái hoạt động 
của mạch PFC DB 5 mức ứng với 
trường hợp có lỗi xuất hiện trên điôt 
Ta giả thiết rằng khi có lỗi vật lý của điôt, 
điôt này sẽ hư hỏng ở dạng điện trở thấp. 
Vào thời điểm sự cố, transisto MOS bị 
ngắn mạch cùng với tụ Cf1 và dòng điện 
trong transisto MOS bão hòa ở dòng Ipot 
gây ra phóng điện rất nhanh của tụ Cf1, 
điện áp chuyển từ 5 mức thành 4 mức 
(hình 14). 
Hình 14. Kết quả mô phỏng các tín hiệu điện áp, dòng điện của sơ đồ Double Boost 
khi có sự cố trên điôt Dh_p 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 17 59 
Như vậy, trong trường hợp lỗi hư hỏng 
vật lý của transisto: transisto bị lỗi sẽ chịu 
dòng điện dẫn và dòng điện chuyển mạch 
của transisto lân cận được mắc nối tiếp, 
được lọc theo hiệu ứng Snubber có từ Cf1. 
Cho nên trong phần tiếp theo tác giả sẽ 
tính toán đánh giá tổn thất dự thừa trên 
transisto bị lỗi, từ đó đánh giá được đặc 
tính hoạt động theo thời gian. 
Còn trong trường hợp lỗi vật lý của điôt: 
trong một nhóm chuyển mạch có van bị 
hỏng, transisto giới hạn dòng điện phóng 
của tụ nhưng sẽ áp một khoảng quá tải do 
mạch vòng dư nạp - phóng của tải trên tụ. 
Chính vì vậy tác giả đã đề xuất điều khiển 
giữ trạng thái dẫn của transisto bởi bộ 
phát hiện lỗi khi có sự cố trên điôt. 
5. KẾT LUẬN 
Bài báo đã phân tích trạng thái làm việc 
bình thường và sự cố của sơ đồ Double- 
Boost 5 mức. Từ cấu tạo của linh kiện 
transisto Mos APT60N60BCSG và kết 
quả phân tích đến từ công ty SEPHA tác 
giả đã xây dựng mô hình nhiệt và kiểm tra 
nhiệt độ của van bán dẫn ở chế độ xác lập, 
qua đó cho thấy với mạch tiêu chuẩn 
4 kW; 230VAC/800 VDC, các van bán 
dẫn hoàn toàn tiếp tục làm việc được sau 
sự cố với một sự tăng nhẹ nhiệt độ chấp 
nhận được. Tác giả cũng xây dựng được 
nguyên lý mạch phát hiện lỗi và mô 
phỏng bằng phần mềm mô phỏng chuyên 
dụng PSIM. Mô hình mô phỏng cuối cùng 
để kiểm tra các đặc tính hoạt động của 
mạch Double - Boost 5 mức được thực 
hiện với mô hình điện của transisto Mos 
và điôt được tác giả sử dụng công cụ 
PSIM. Bài báo đã chỉ ra rằng, với sự cố 
của các van bán dẫn chuyển mạch, là nơi 
xung yếu nhất của mạch điện tử công suất 
thì bộ biến đổi DB 5 mức vẫn chấp nhận 
sự cố đầu tiên xảy ra trong mạch và tiếp 
tục hoạt động với toàn bộ công suất mà 
không cần tới một sự tác động bên ngoài 
nào về phía mạch lực, qua đó khẳng định 
tính tin cậy và khả năng dự phòng sau sự 
cố của sơ đồ công suất. Hướng tiếp theo 
của tác giả sẽ là mở rộng sơ đồ lên các 
mức cao hơn và chuyển từ mô phỏng 
tương tự sang mô phỏng số. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Le Claire J.C, Radouane A., Ginot N., Moreau R., “Simple Topology and Current Control for Fast 
AC/DC Converter with Unity Power Factor”, 11th International Power Electronics and Motion 
Control Conference, Riga, Latvia, 2-4 September 2004, CDROM ref. ISBN 9984-32-010-3. 
[2] B. Singh, K. Al Haddad, A. Pandey, D. P. Kothari, “A Review of Single-Phase Improved Power 
Quality AC/DC Converters”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.50, N°5, pp 962-981, 
October 2003. 
[3] M.L. Heldwein, M.S. Ortmann, S.A. Amusa,“Single-phase PWM Boost-type Unidirectional 
Rectifier Doubling the Switching Frequency”, 13thEuropean Conference on Power Electronics and 
Applications, EPE 2009, Sept. 8-10, Barcelona, Spain, 2009. 
[4] L. Pham, F. Richardeau, H. Helali, G. Gateau, M. Cousineau, M. Iturriz, '5-level Double-Boost PFC 
with Fault-Tolerant Capability', 13th European Power Electronic Conf., Barcelona, Spain , 2009. 
[5] Hui Liu, Ke Ma, Chao Wang & Frede Blaabjerg (2016) Fault Diagnosis and Fault-tolerant Control 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
60 Số 17 
of Modular Multi-level Converter High-voltage DC System: A Review, Electric Power Components 
and Systems, 44:16, 1759-1785, DOI: 10.1080/15325008.2016.1198439. 
[6] Thi Thuy Linh Pham; Richardeau, F.; Gateau, G. ‘Real-Time Monitoring for a Five-Level Double-
Boost Power Factor Controller Including Postfault Reconfiguration’, Industrial Electronics, IEEE 
Transactions on, Page(s): 4128 - 4135 Volume: 60, Issue: 9, Sept. 2013. 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Phạm Thị Thùy Linh nhận bằng Thạc sĩ tại Trường Đại học Kỹ thuật Quốc 
gia ENSEEIHT (Ecole Nationale Supérieure d’Electrotechnique, d’Electronique, 
d’Hydraulique de Toulouse), Toulouse, Cộng hòa Pháp vào năm 2008; nhận bằng 
Tiến sĩ tại Đại học Bách khoa Kỹ thuật Toulouse (Institut National Polytechnique 
de Toulouse) Cộng hòa Pháp vào năm 2011. 
Tác giả hiện là giảng viên Khoa Điều khiển và Tự động hóa - Trường Đại học 
Điện lực. 
Lĩnh vực nghiên cứu: các bộ biến đổi đa mức, điều khiển số và chẩn đoán lỗi. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 17 61