Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện tử công suất đóng vai trò then chốt trong các hệ thống truyền động điện xoay chiều điện áp cao, giao thông đường sắt và các thiết bị công nghiệp lẫn dân dụng. Nhằm đáp ứng yêu cầu vận hành của các tải công suất lớn như động cơ điện xoay chiều một pha và ba pha, các bộ biến đổi phải nâng cao giá trị điện áp và dòng điện định mức. Tuy nhiên, khả năng chịu đựng điện áp và dòng điện của các linh kiện bán dẫn công suất đơn lẻ luôn tồn tại giới hạn vật lý nhất định. Để giải quyết rào cản này, giải pháp ghép song song van bán dẫn được ứng dụng để tăng khả năng mang dòng, trong khi giải pháp mắc nối tiếp các bộ biến đổi mở ra hướng phát triển cho cấu trúc nghịch lưu điện áp đa bậc (Multilevel Inverter) thay thế cho cấu trúc hai bậc truyền thống.

Nghịch lưu hai bậc truyền thống bộc lộ nhược điểm chỉ tạo ra mức điện áp thấp, không tối ưu cho các tải công suất lớn và dạng sóng ngõ ra có hàm lượng sóng hài cao. Ngược lại, cấu trúc nghịch lưu đa bậc dạng ghép tầng (Cascade Multilevel Inverter) sở hữu các ưu thế kỹ thuật: tăng công suất bộ biến đổi, cải thiện chất lượng điện áp và dòng điện ngõ ra, giảm tốc độ biến thiên điện áp $dv/dt$ trên van bán dẫn, đồng thời giảm giá trị điện áp đặt lên từng linh kiện bán dẫn. Mặc dù cấu trúc này đòi hỏi số lượng linh kiện nhiều hơn và giải thuật đóng cắt phức tạp hơn, việc kết hợp giữa bộ xử lý tín hiệu số tốc độ cao và phần mềm mô phỏng giúp giải quyết bài toán điều khiển một cách linh hoạt. Đồ án "Bộ biến đổi nguồn DC-AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trời" được thực hiện bởi sinh viên Trịnh Văn Thắng và Lê Nguyễn Trường An (Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, năm 2019) dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Nhân Bổn nhằm giải quyết các yêu cầu kỹ thuật trên.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể theo 7 nội dung sau:

  1. Tìm hiểu về hệ thống pin năng lượng mặt trời và bộ tích trữ điện.
  2. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về cấu trúc và giải thuật nghịch lưu điện áp đa bậc.
  3. Nghiên cứu các câu lệnh và công cụ hỗ trợ trong phần mềm Matlab/Simulink.
  4. Thiết kế và thi công mạch phần cứng: mạch nguồn ổn áp nuôi mạch kích, mạch điều khiển cách ly (mạch kích), mạch công suất sử dụng IGBT.
  5. Mô phỏng bộ nghịch lưu trên Matlab và xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển bằng card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 của Texas Instruments.
  6. Thiết kế, gia công và lắp ráp mô hình phần cứng hoàn chỉnh kết nối từ nguồn năng lượng mặt trời.
  7. Vận hành thực nghiệm trên tải thuần trở (tải đèn), tải cảm RL (động cơ xoay chiều một pha công suất thấp), từ đó thu thập dữ liệu bằng dao động ký (Oscilloscope) và so sánh đối chứng với kết quả mô phỏng.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là bộ nghịch lưu điện áp một pha 5 bậc cấu trúc Cascade ghép nối tiếp hai mạch cầu H, sử dụng van bán dẫn IGBT FGA25N120 và điều khiển bằng card DSP TMS320F28335. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở hệ thống năng lượng mặt trời độc lập (sử dụng pin quang điện, bộ điều khiển sạc và bộ ắc quy 12V), cấp nguồn cho các tải xoay chiều một pha công suất vừa và nhẹ tại phòng thí nghiệm của trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý chuyển đổi năng lượng quang điện, hóa năng và lý thuyết biến đổi điện tử công suất:

  • Hệ thống pin quang điện: Pin mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn (chủ yếu là silic tinh thể), với lớp tiếp xúc p-n biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng một chiều (DC). Hệ thống được định hướng theo cấu hình độc lập, cấp điện cho bộ lưu trữ điện năng.
  • Bộ tích trữ điện (Ắc quy chì-axit): Nguồn điện hóa học thứ cấp thực hiện hai quá trình nạp và phóng điện. Trong đồ án, ắc quy 12V được cấu tạo từ 6 ngăn (cell) mắc nối tiếp, mỗi cell có điện áp danh định khoảng 2,1V gồm các bản cực chì ($Pb$), chì điôxít ($PbO_2$) ngâm trong dung dịch điện phân axit sunphuric ($H_2SO_4$). Phản ứng hóa học tổng quát diễn ra theo phương trình: $$\text{Pb} + \text{PbO}_2 + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \rightleftharpoons 2\text{PbSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$$
  • Phân loại cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc: Tác giả phân tích và so sánh 3 cấu hình nghịch lưu áp đa bậc kinh điển trong kỹ thuật điện tử công suất:
Cấu trúc nghịch lưu Đặc trưng kỹ thuật Ưu điểm chính Nhược điểm chính
Diode kẹp (NPC - Neutral Point Clamped) Dùng các diode để kẹp mức điện áp từ các tụ điện phân áp DC Hiệu năng chuyển đổi cao, dùng chung thanh cái DC cho 3 pha Số lượng diode kẹp tăng nhanh theo bậc (quan hệ bậc 2), khó cân bằng điện áp tụ
Tụ bay (Flying Capacitor) Dùng các tụ điện phụ độc lập để kẹp mức điện áp Có thể điều khiển độc lập từng nhánh, chất lượng điện áp tốt Phải nạp điện áp khởi đầu cho các tụ, mạch điều khiển phức tạp
Ghép tầng (Cascade H-Bridge) Mắc nối tiếp các bộ nghịch lưu cầu H một pha độc lập Không cần diode/tụ kẹp, điện áp chịu đựng trên van giảm $0,57n$ lần, giảm $dv/dt$ Yêu cầu các nguồn DC hoàn toàn cách ly và độc lập cho từng cầu H

Từ phân tích trên, tác giả lựa chọn cấu trúc Cascade cho bộ nghịch lưu một pha 5 bậc. Cấu trúc một pha gồm 2 bộ cầu H mắc nối tiếp, sử dụng 2 nguồn DC độc lập ($V_{dc1}, V_{dc2}$). Mỗi cầu H tạo ra 3 mức điện áp: $+V_{dc}, 0, -V_{dc}$. Khi mắc nối tiếp, tổng điện áp tức thời ngõ ra trên tải $V_{AB} = V_{H1} + V_{H2}$ sẽ tạo thành 5 mức điện áp đối xứng: $+2V_{dc}, +V_{dc}, 0, -V_{dc}, -2V_{dc}$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng toán học và thực nghiệm phần cứng:

  • Phương pháp điều chế: Ứng dụng phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sinusoidal PWM - SPWM) bằng cách so sánh tín hiệu sóng sin mẫu tần số công nghiệp với sóng mang tam giác tần số cao để tạo ra các dãy xung kích đóng/ngắt các van bán dẫn.
  • Nền tảng điều khiển: Sử dụng card DSP TMS320F28335 thuộc dòng vi điều khiển C2000 Delfino 32-bit của Texas Instruments. Chip xử lý có xung nhịp 150 MHz (chu kỳ lệnh 6,67 ns), tích hợp 6 kênh DMA, bộ nhớ Flash 256Kx16, SARAM 34Kx16, 18 chân ngõ ra PWM (gồm 6 kênh HRPWM với độ phân giải thời gian 150 ps), hỗ trợ lập trình nhúng trực tiếp từ môi trường Matlab/Simulink.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được thiết kế, gia công phần cứng và xây dựng chương trình điều khiển nhúng theo các khối chức năng cụ thể:

[Pin mặt trời] ---> [Bộ điều khiển sạc] ---> [Bộ Ắc quy 12V]
                                                    |
                                                    v
[Máy biến áp cách ly]                        [Mạch tăng áp Boost]
         |                                          |
         v                                          v
[Nguồn nuôi +15V/-5V]                        [Nguồn DC độc lập]
         |                                          |
         v                                          v
[Card DSP TMS320F28335] ---> [Mạch kích TLP250] ---> [Mạch công suất 2 Cầu H (8 IGBT)] ---> [Tải R / RL]

1. Thiết kế phần cứng

  • Khối biến áp và nguồn ổn áp nuôi mạch kích: Sử dụng một máy biến áp nguồn hạ áp có cuộn sơ cấp 220VAC và các cuộn thứ cấp đối xứng 15V - 0V - 15V độc lập, cách ly hoàn toàn nhằm bảo vệ an toàn cho hệ thống. Nguồn xoay chiều thứ cấp đi qua cầu diode chỉnh lưu và hệ thống tụ lọc hóa dung lượng lớn để tạo điện áp DC phẳng. Các vi mạch ổn áp tuyến tính 7815 và 7905 được sử dụng để tạo ra các cấp điện áp đối xứng $+15\text{VDC}$ và $-5\text{VDC}$. Mức điện áp $+15\text{V}$ dùng để mở bão hòa IGBT và mức $-5\text{V}$ dùng để khóa dứt khoát cực Gate, ngăn chặn hiện tượng kích dẫn nhầm do điện áp ký sinh. Vì hệ thống có 2 bộ cầu H (8 van IGBT), khối nguồn được thiết kế thành 8 kênh nguồn đối xứng cách ly độc lập.
  • Mạch đệm và kích công suất (Gate Driver):
    • Khối logic: Tín hiệu xung điều khiển từ DSP gồm 4 kênh ($D_0 - D_3$) được đưa qua IC đệm 74HC245 để tăng cường khả năng chịu tải dòng logic và truyền tới mạch kích.
    • Mạch tạo thời gian trễ (Dead-time): Để ngăn ngừa hiện tượng trùng dẫn làm ngắn mạch thanh cái DC trên cùng một nhánh cầu, mạch trễ phần cứng được thiết kế phối hợp giữa cổng đảo Schmitt-trigger 74HC14, điện trở $R_1$, tụ điện $C_{19}, C_{21}$ và diode Zener. Khi tín hiệu logic đổi trạng thái, quá trình nạp/xả tụ tạo ra thời gian trễ đo đạc được trên thực nghiệm là $2,\mu\text{s}$.
    • Cách ly quang và điều khiển cực Gate: Tín hiệu sau khi tạo trễ được đưa vào optocoupler chuyên dụng TLP250 để cách ly quang giữa mạch logic điện áp thấp và mạch công suất điện áp cao. Điện trở ngõ ra cực cổng $R_g$ được chọn có giá trị $10,\Omega$ nhằm hạn chế dòng nạp đỉnh cực Gate của IGBT theo đúng datasheet.
  • Mạch công suất: Thiết kế thành 2 cầu H độc lập ghép nối tiếp. Mỗi cầu H sử dụng 4 IGBT mã hiệu FGA25N120 (chịu áp tối đa 1200V, dòng định mức 25A) tích hợp sẵn diode đối song song bảo vệ van khỏi dòng cảm ứng từ tải ngõ ra.
  • Khối nguồn sơ cấp và tăng áp DC/DC: Hệ thống tiếp nhận nguồn điện từ tấm pin mặt trời qua bộ điều khiển sạc mặt trời nạp vào bình ắc quy 12V. Điện áp DC từ ắc quy sau đó được nâng áp thông qua mạch tăng áp Boost Converter để cấp cho các tụ điện DC của hai bộ cầu H.

2. Triển khai phần mềm và chương trình điều khiển

  • Môi trường phần mềm: Sử dụng Matlab 2017b kết hợp Simulink và gói thư viện phần cứng Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors, kết nối đồng bộ với Texas Instruments Code Composer Studio (CCS), controlSUITE và C2000Ware.
  • Quy trình triển khai:
    1. Xây dựng mô hình kiểm tra (Test Card): Lập trình khối Digital Output trên Simulink gán cho các chân GPIO để chớp tắt LED thử nghiệm trên Kit TMS320F28335 nhằm xác nhận liên kết giao tiếp nạp nạp code thành công.
    2. Xây dựng mô hình phát xung SPWM: Tạo sóng sin chuẩn và sóng mang tam giác trong môi trường khối Simulink của C2000, cấu hình bộ tạo xung ePWM để xuất 4 tín hiệu xung đóng cắt tương ứng cho 4 cặp van.
    3. Biên dịch và nạp tự động: Phần mềm biên dịch trực tiếp từ khối sơ đồ nguyên lý Simulink sang mã nguồn C, sau đó tải thẳng xuống bộ nhớ Flash của chip TMS320F28335 để chạy độc lập.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tổng quan về sự phát triển của ngành điện tử công suất trong điều khiển truyền động động cơ và các thiết bị công nghiệp. Tác giả trình bày các giới hạn của bộ nghịch lưu 2 bậc truyền thống và phân tích sự cần thiết của cấu trúc đa bậc. Mục tiêu đề tài được chia thành 7 bước thực hiện cụ thể. Tác giả nhấn mạnh tính mới của đề tài là việc kết hợp đồng thời giữa mô phỏng số và thực nghiệm phần cứng, sử dụng chip DSP TMS320F28335 trên giải thuật nghịch lưu ghép tầng (Cascade) 5 bậc, đồng thời khẳng định ý nghĩa ứng dụng thực tiễn của mô hình trong giảng dạy và nghiên cứu tự động hóa với chi phí hợp lý.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các nền tảng lý thuyết:

  • Giới thiệu hệ thống pin mặt trời (cấu hình hòa lưới và độc lập), nguyên lý biến đổi quang năng trên tinh thể silic bán dẫn p-n.
  • Cấu tạo và nguyên lý hóa học nạp/phóng điện của ắc quy 12V (gồm 6 ngăn đơn $2,1\text{V}$).
  • Khái niệm bộ nghịch lưu áp và phân loại theo số pha, số bậc, cấu hình mạch và phương pháp điều chế xung.
  • Phân tích chi tiết 3 cấu trúc nghịch lưu đa bậc: Diode kẹp (NPC), Tụ bay (Flying Capacitor) và Ghép tầng (Cascade).
  • Nguyên lý hoạt động của cầu H 1 pha và nguyên tắc kích đóng đối nghịch ($S_1 + S_4 = 1; S_2 + S_3 = 1$) để ngăn ngắn mạch nguồn. Mô tả toán học và dạng sóng ngõ ra 5 bậc của cấu trúc Cascade một pha.
  • Cấu trúc phần cứng vi điều khiển DSP TMS320F28335: sơ đồ khối, vi kiến trúc CPU 32-bit, tổ chức các vùng nhớ Flash/SARAM, module điều khiển bộ nhớ truy cập trực tiếp DMA 6 kênh, các khối chức năng ngoại vi nâng cao ePWM và HRPWM.

Chương 3: Thiết kế và thi công mạch phần cứng

Chương này mô tả chi tiết toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế sơ đồ nguyên lý và chế tạo mạch in:

  • Thiết kế mạch nguồn tạo điện áp đối xứng $+15\text{V}$ và $-5\text{V}$ dùng IC 7815 và 7905, cuộn thứ cấp biến áp cách ly và tụ lọc gợn sóng.
  • Thiết kế mạch kích 1 pha sử dụng IC đệm 74HC245, mạch tạo thời gian trễ chống trùng dẫn $2,\mu\text{s}$ bằng cổng đảo 74HC14 kết hợp linh kiện RC và Zener, cùng tầng cách ly quang TLP250 với điện trở cực cổng $R_g = 10,\Omega$.
  • Thiết kế mạch công suất sử dụng 8 van IGBT FGA25N120.
  • Kết nối mạch tăng áp DC/DC Boost Converter và bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời.
  • Hoàn thiện sơ đồ khối kết nối toàn bộ hệ thống từ nguồn pin, ắc quy đến khối công suất và ngõ ra tải.

Chương 4: Phần mềm sử dụng và chương trình điều khiển

Chương 4 tập trung vào quy trình xây dựng phần mềm điều khiển:

  • Hướng dẫn cấu hình phần mềm Matlab 2017b và cài đặt các gói hỗ trợ phần cứng C2000 (Embedded Coder Support Package, Delfino F2833x, Code Composer Studio).
  • Quy trình lấy và kết nối các khối chức năng trong thư viện Simulink C2000 (Digital Output, Constant, ePWM, GPIO).
  • Xây dựng chương trình kiểm tra card F28335 qua điều khiển LED GPIO.
  • Xây dựng và thiết lập thông số cho chương trình điều chế độ rộng xung sin (SPWM) hoàn chỉnh trên Simulink để nhúng trực tiếp vào DSP.

Chương 5: Mô phỏng và so sánh kết quả với thực tế với tải đèn và động cơ công suất thấp

Chương 5 đối chiếu kết quả giữa mô hình mô phỏng Matlab và mô hình thực nghiệm phần cứng:

  • Thiết lập tham số mô phỏng trên Simulink: khối công suất IGBT, nguồn DC và các dạng tải thử nghiệm (không tải, tải thuần trở, tải cảm $RL$ với $L = 100,\text{H}$ và $L = 1000,\text{kH}$).
  • Ghi nhận đồ thị dạng sóng điện áp 5 bậc trên mô phỏng.
  • Tiến hành thực nghiệm trên mô hình thực tế với 3 chế độ: không tải, tải đèn sợi đốt (tải trở) và tải động cơ xoay chiều một pha công suất thấp.
  • Thu thập số liệu điện áp, dòng điện và quan sát dạng sóng ngõ ra thông qua máy đo hiển thị sóng Oscilloscope.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tác giả tổng kết các kết quả đạt được về mặt chế tạo phần cứng, ứng dụng DSP F28335 và phần mềm Matlab để điều khiển thành công bộ nghịch lưu 5 bậc. Đồng thời, chương này đề xuất các hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai nhằm hoàn thiện hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh và thu được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Kết quả mô phỏng: Dạng sóng điện áp ngõ ra mô phỏng trên Matlab-Simulink tạo ra 5 bậc rõ rệt trong một chu kỳ điện áp, dạng sóng có độ mịn cao và tiệm cận dạng sin hơn hẳn so với nghịch lưu 2 bậc truyền thống.
  • Kết quả thực nghiệm phần cứng:
    • Mạch nguồn ổn áp tạo ra chính xác các mức điện áp $+15\text{V}$ và $-5\text{V}$ cách ly cho 8 kênh kích van công suất.
    • Mạch tạo thời gian trễ dead-time bằng phần cứng (74HC14 kết hợp RC và Zener) hoạt động ổn định, tạo thời gian trễ đóng cắt thực tế đạt xấp xỉ $2,\mu\text{s}$, loại trừ hiện tượng trùng dẫn trên các nhánh van IGBT FGA25N120.
    • Tín hiệu xung kích qua tầng cách ly quang TLP250 với điện trở cổng $R_g = 10,\Omega$ đảm bảo đóng cắt dứt khoát.
    • Card DSP TMS320F28335 nhận chương trình nhúng từ Simulink và xuất xung PWM điều khiển chính xác các khóa công suất.
    • Dạng sóng điện áp ngõ ra ghi nhận trên dao động ký (Oscilloscope) ở các chế độ không tải, tải đèn và tải động cơ 1 pha đều thể hiện dạng 5 bậc đối xứng, biên dạng sóng mịn, động cơ vận hành êm ái và ít nhiễu.

Các thông số vận hành thực tế được tác giả tổng hợp qua các bảng đo lường:

Chế độ thực nghiệm Dạng tải Hiện tượng và đặc tính ngõ ra Thiết bị đo/giám sát
Không tải (Bảng 5.1) Không kết nối tải Điện áp ra dạng 5 bậc rõ rệt, ổn định, biên độ điện áp đạt chuẩn thiết kế Oscilloscope
Tải trở (Bảng 5.2) Tải đèn sợi đốt Đèn sáng ổn định, điện áp không bị sụt giảm bất thường, dạng sóng 5 bậc duy trì tốt Vôn kế, Ampe kế, Oscilloscope
Tải cảm (Bảng 5.3) Động cơ 1 pha công suất thấp Động cơ khởi động và chạy êm, giảm rung lắc, sóng dòng điện có dạng gần sin, độ nhiễu thấp Oscilloscope

Đóng góp của đồ án:

  • Hiện thực hóa thành công việc kết hợp giữa công cụ mô phỏng số Matlab/Simulink và vi xử lý tín hiệu số chuyên dụng DSP TMS320F28335 để điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất đa bậc.
  • Kiểm chứng thực nghiệm giải thuật ghép tầng (Cascade) 5 bậc, chứng minh việc nâng cao chất lượng sóng điện áp ngõ ra mà không cần sử dụng bộ lọc cồng kềnh.
  • Xây dựng một mô hình phần cứng hoàn chỉnh từ tầng quang điện, lưu trữ ắc quy đến khâu nghịch lưu, có khả năng phục vụ trực tiếp cho hoạt động đào tạo, thí nghiệm và nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung văn bản, các hạn chế và định hướng phát triển của đề tài được ghi nhận như sau:

  • Hạn chế:
    • Do giới hạn về mặt thời gian thực hiện, đồ án mới chỉ tập trung nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm cho hệ thống nghịch lưu một pha 5 bậc, chưa mở rộng cho hệ thống ba pha.
    • Mức công suất thực nghiệm giới hạn ở tải đèn và động cơ một pha công suất nhỏ, chưa thử nghiệm trên các dải tải công nghiệp nặng.
    • Giải thuật điều chế dừng lại ở phương pháp Sin PWM cơ bản, chưa áp dụng các phương pháp điều chế tiên tiến hơn như điều chế vector không gian (Space Vector Modulation - SVM) cho hệ đa bậc.
    • Chưa tích hợp khâu hòa lưới điện quốc gia mà chỉ vận hành ở chế độ độc lập.
  • Hướng phát triển:
    • Nâng cấp cấu trúc nghịch lưu lên số bậc cao hơn (7 bậc, 9 bậc) để tiếp tục giảm độ méo hài tổng (THD) của điện áp và dòng điện ngõ ra.
    • Mở rộng cấu trúc phần cứng và giải thuật sang hệ thống nghịch lưu ba pha đa bậc dạng ghép tầng nhằm điều khiển các động cơ công nghiệp công suất lớn.
    • Tích hợp thêm các giải thuật điều khiển thích nghi, điều khiển bù công suất phản kháng và tối ưu hóa điểm công suất cực đại (MPPT) từ tấm pin mặt trời.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa và Năng lượng tái tạo: Cung cấp tài liệu thực tế về quy trình thiết kế hoàn chỉnh một bộ biến đổi DC-AC từ sơ đồ nguyên lý đến mạch in thực tế.
  • Người làm đề tài về điều khiển nhúng DSP: Đồ án trình bày chi tiết cách thiết lập môi trường Matlab 2017b, cài đặt Embedded Coder Support Package và liên kết với Code Composer Studio để nhúng trực tiếp chương trình từ Simulink xuống card TI DSP TMS320F28335 mà không cần viết mã C thủ công.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng điện tử công suất: Các sơ đồ mạch kích cách ly dùng TLP250, mạch nguồn đối xứng $+15\text{V}/-5\text{V}$ bằng vi mạch 7815/7905, mạch tạo thời gian trễ dead-time $2,\mu\text{s}$ bằng IC số 74HC14 là những mô-đun phần cứng chuẩn xác, có thể ứng dụng trực tiếp cho các bộ biến đổi cầu H sử dụng MOSFET/IGBT.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao bộ nghịch lưu 5 bậc dạng Cascade trong đồ án lại cần 2 bộ cầu H và 2 nguồn DC riêng biệt?
Trong cấu trúc nghịch lưu ghép tầng (Cascade), mỗi bộ cầu H một pha chỉ có khả năng tạo ra 3 mức điện áp ngõ ra là $+V_{dc}, 0, -V_{dc}$. Theo công thức tổng quát của bộ biến đổi cascade $n$ bậc, số cầu H cần thiết trên một pha là $(n - 1)/2$. Với hệ 5 bậc, hệ thống cần $(5 - 1)/2 = 2$ bộ cầu H mắc nối tiếp. Để điện áp ngõ ra có thể cộng dồn độc lập thành 5 mức ($-2V_{dc}, -V_{dc}, 0, +V_{dc}, +2V_{dc}$) mà không xảy ra ngắn mạch vòng giữa các tầng, mỗi cầu H bắt buộc phải được cấp điện bởi một nguồn một chiều (DC) độc lập và cách ly hoàn toàn.

2. Mạch tạo thời gian trễ (dead-time) chống trùng dẫn được thiết kế như thế nào và giá trị trễ đạt được là bao nhiêu?
Mạch tạo dead-time được thực hiện hoàn toàn bằng phần cứng nhằm bảo vệ an toàn cho các van công suất trên cùng một nhánh cầu. Mạch sử dụng cổng đảo Schmitt-trigger 74HC14 kết hợp với mạng linh kiện thụ động gồm điện trở nạp/xả, tụ điện ($C_{19}, C_{21}$) và diode Zener. Quá trình nạp và xả tụ khi mức logic thay đổi tạo ra độ trễ giữa thời điểm ngắt van này và mở van đối nghịch. Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy thời gian trễ đạt được là $2,\mu\text{s}$, ngăn ngừa hiện tượng ngắn mạch thanh cái DC.

3. Mục đích của việc sử dụng nguồn đối xứng $+15\text{V}$ và $-5\text{V}$ cho mạch kích IGBT là gì?
Van IGBT FGA25N120 được điều khiển bằng điện áp cực Gate. Để kích dẫn van mở hoàn toàn và đạt trạng thái bão hòa nhằm giảm thiểu sụt áp dẫn, điện áp phân cực thuận cần đặt vào cực Gate là $+15\text{VDC}$ (tạo ra từ IC ổn áp 7815). Ngược lại, để khóa van một cách chắc chắn và ngăn ngừa hiện tượng mở nhầm do xung áp ký sinh ($dv/dt$) trong quá trình đóng cắt tần số cao, cực Gate cần được phân cực ngược ở mức $-5\text{VDC}$ (tạo ra từ IC ổn áp âm 7905).

4. Card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 có những đặc tính kỹ thuật nào đáp ứng yêu cầu của đồ án?
TMS320F28335 thuộc dòng C2000 Delfino của Texas Instruments, sử dụng CPU 32-bit với xung nhịp cao lên tới 150 MHz (chu kỳ lệnh 6,67 ns), cho phép xử lý các thuật toán điều khiển thời gian thực với tốc độ nhanh. Thiết bị tích hợp sẵn 18 ngõ ra PWM (trong đó có 6 ngõ ra PWM độ phân giải cao HRPWM với bước điều chỉnh 150 ps) và bộ điều khiển truy cập bộ nhớ trực tiếp DMA 6 kênh giúp truyền tải dữ liệu tự động mà không chiếm dụng băng thông của CPU. Đặc biệt, chip được hỗ trợ toàn diện bởi gói công cụ Embedded Coder trong Matlab/Simulink, cho phép nhúng thuật toán điều khiển trực tiếp từ mô hình đồ họa xuống phần cứng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Bộ biến đổi nguồn DC-AC một pha 5 bậc sử dụng năng lượng mặt trời" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra từ nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số đến chế tạo thực nghiệm phần cứng. Việc lựa chọn cấu trúc nghịch lưu ghép tầng Cascade phối hợp cùng van công suất IGBT FGA25N120 và vi xử lý DSP TMS320F28335 đã chứng minh tính hiệu quả qua dạng sóng ngõ ra 5 bậc ổn định, có độ mịn cao và giảm thiểu sóng hài trên các tải đèn và động cơ xoay chiều một pha. Kết quả nghiên cứu không chỉ giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật điều khiển nghịch lưu đa bậc từ nguồn năng lượng tái tạo mà còn mang lại giá trị tham khảo thiết thực trong giảng dạy và nghiên cứu thực nghiệm tại các phòng thí nghiệm kỹ thuật điện tử công suất.