Giới thiệu dự án

Nhu cầu chuyển dịch sang các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời (Solar Photovoltaic) và năng lượng gió đang thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của các hệ thống biến đổi điện tử công suất. Theo các báo cáo kỹ thuật công nghiệp từ IEEE Industrial Electronics Society, hơn 34% các sự cố dừng hoạt động ngoài kế hoạch trong hệ thống biến tần công nghiệp bắt nguồn từ sự hư hỏng của các khóa chuyển mạch bán dẫn công suất (IGBT/MOSFET). Trong các dây chuyền sản xuất liên tục hoặc hệ thống phát điện nối lưới, việc ngừng đột ngột toàn bộ hệ thống biến tần do hỏng một van bán dẫn gây ra tổn thất kinh tế rất lớn và đe dọa độ ổn định của lưới điện.

Cấu trúc nghịch lưu ba pha ba bậc hình T (3-Phase 3-Level T-type Inverter) là giải pháp đột phá thay thế cấu trúc kẹp trung tính NPC (Neutral Point Clamped) truyền thống. Bộ nghịch lưu hình T giảm thiểu số lượng diode kẹp, giảm điện áp rơi trên van dẫn và tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn ở tần số đóng cắt thấp và trung bình. Tuy nhiên, mạch hình T sử dụng tổng cộng 12 khóa bán dẫn IGBT, khiến xác suất xuất hiện sự cố hở mạch (Open-Circuit Fault) tại một khóa bất kỳ gia tăng đáng kể. Khi một khóa IGBT bị hở mạch, điện áp đầu ra bị méo dạng nghiêm trọng, xuất hiện thành phần một chiều (DC offset), dòng điện ba pha mất cân bằng và gây quá nhiệt cho tải động cơ hoặc kích hoạt relay ngắt bảo vệ.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế bộ nghịch lưu 3 pha hình T tự sửa lỗi hở 1 khóa" được thực hiện nhằm giải quyết triệt để thách thức trên thông qua các mục tiêu cụ thể:

  1. Xây dựng mô hình toán học và giải thuật điều chế độ rộng xung sin (SPWM - Sine Pulse Width Modulation) cho bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc hình T ở chế độ làm việc bình thường và chế độ sự cố.
  2. Đề xuất giải thuật tự cấu trúc và bù áp tự động khi xảy ra lỗi hở mạch khóa chính ($S_{A1}/S_{A3}$) hoặc khóa nhánh ngang ($S_{A2}$) bằng cách tái định hình tín hiệu điều khiển kết hợp mạch tăng áp DC-DC Boost Converter.
  3. Thiết kế, thi công phần cứng hoàn chỉnh gồm khối điều khiển số DSP TMS320F28335, khối mạch kích cách ly (TLP250 + QA01) và khối công suất 12 IGBT FGH60N60SFD.
  4. Kiểm chứng giải thuật trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng PSIM và thực nghiệm đo đạc sóng điện áp, dòng điện trên mô hình phần cứng thực tế.

Giải pháp kết hợp giữa tái cấu trúc góc pha điện áp tham chiếu và nâng điện áp nguồn DC đầu vào lên $\sqrt{3}$ lần bằng mạch Boost giúp hệ thống duy trì điện áp dây đầu ra định mức mà không cần lắp đặt thêm các nhánh van dự phòng tốn kém. Kết quả kỳ vọng là biên độ điện áp xoay chiều ba pha sau khi sửa lỗi đạt 100% giá trị định mức trước sự cố, độ méo hài tổng THD (Total Harmonic Distortion) được kiểm soát trong giới hạn vận hành an toàn và hệ thống không bị gián đoạn hoạt động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào sự cố hở 1 khóa bán dẫn trên một pha ở tải đối xứng ba pha R/RL.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Các cấu trúc nghịch lưu công nghiệp hiện nay có những ưu và nhược điểm riêng khi vận hành và đối mặt với sự cố phần cứng:

Tiêu chí so sánh Nghịch lưu 2 bậc (2-Level VSI) Nghịch lưu 3 bậc NPC Nghịch lưu 3 bậc hình T (Đề tài) Nghịch lưu đa bậc cầu H nối tầng (CHB)
Số lượng van bán dẫn 6 IGBT 12 IGBT + 6 Diode kẹp 12 IGBT (Không Diode kẹp) $\ge 24$ IGBT (cho 3 pha 5 bậc)
Tổn hao đóng cắt/dẫn Tổn hao đóng cắt cao Tổn hao dẫn lớn qua Diode Tổn hao dẫn thấp, hiệu suất cao Phân bố đều nhưng mạch cồng kềnh
Chất lượng điện áp (THD) Cao ($> 30%$ khi chưa lọc) Tốt (dạng sóng 3 bậc) Rất tốt (dạng sóng 3 bậc mịn) Cực tốt (nhiều bậc điện áp)
Độ phức tạp phần cứng Thấp Cao (nhiều kết nối diode) Trung bình (tối ưu footprint) Rất cao (cần nhiều nguồn DC độc lập)
Khả năng chịu lỗi tự nhiên Không (mất 1 van dừng cả hệ) Thấp (cần mạch vòng phụ) Linh hoạt tái cấu trúc trạng thái Cao (nhờ dự phòng module)

Theo phân tích yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must Have: Duy trì điện áp dây $U_{AB}, U_{BC}, U_{CA}$ liên tục khi hở 1 khóa; cách ly quang an toàn giữa DSP và mạch công suất; bảo vệ khóa bán dẫn chống dẫn kích ký sinh.
  • Should Have: Thời gian đáp ứng chuyển mạch tự sửa lỗi dưới 1 chu kỳ lưới điện (20ms); tích hợp mạch Boost nâng áp tự động với độ rộng xung tính toán chính xác $D \approx 0.4226$.
  • Could Have: Tích hợp bộ lọc sóng hài chủ động ngõ ra; tự động phát hiện lỗi theo thời gian thực dựa trên cảm biến dòng Hall.
  • Won't Have: Bù lỗi đồng thời khi hở 2 khóa trên cùng một pha; điều khiển nguồn cấp trả ngược lưới (bi-directional regeneration).

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc phần cứng và luồng dữ liệu điều khiển của hệ thống được tổ chức thành các phân khu chức năng riêng biệt:

+-----------------------------------------------------------------------+
|                            NGUỒN VÀO DC                               |
|                         (Biến áp + Chỉnh lưu)                         |
+-----------------------------------+-----------------------------------+
                                    | (40VDC)
                                    v
+-----------------------------------------------------------------------+
|                      MẠCH TĂNG ÁP DC-DC BOOST                         |
|             (Nâng áp lên 40*sqrt(3) VDC khi xảy ra lỗi)              |
+-----------------------------------+-----------------------------------+
                                    | (Udc)
                                    v
+-----------------------------------------------------------------------+
|                   MẠCH CÔNG SUẤT 3 PHA HÌNH T                         |
|     Pha A (SA1..SA4), Pha B (SB1..SB4), Pha C (SC1..SC4)              |
+------------------^---------------------------------+------------------+
                   | (Xung kích Gate cách ly)        | (Điện áp 3 pha)
                   |                                 v
+------------------+----------------+       +---------------------------+
|      MẠCH KÍCH DRIVER VÀ NGUỒN    |       |         TẢI BA PHA        |
|  - 12x Opto TLP250                |       |       (R / RL Đấu Y)      |
|  - 12x Module nguồn QA01          |       +---------------------------+
|    (-9VDC / +15VDC cách ly 3kV)   |
+------------------^----------------+
                   | (Tín hiệu PWM 3.3V)
+------------------+----------------------------------------------------+
|               KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM DSP TMS320F28335                   |
|     - Thuật toán SPWM 3 bậc (fc = 10kHz, fm = 50Hz)                  |
|     - Bộ bù vector điện áp & Bộ tính toán xung Duty Boost             |
+-----------------------------------------------------------------------+

Technology Stack và phiên bản thiết bị:

  • Bộ xử lý tín hiệu số (DSP): Texas Instruments TMS320F28335 (32-bit Floating-Point C28x Core @ 150MHz, 512KB Flash, 68KB RAM, 16 kênh ADC 12-bit, 18 ngõ PWM).
  • Môi trường lập trình: Code Composer Studio (CCS) v6.0/v8.0 kết hợp cấu hình thanh ghi phần cứng bằng C/C++.
  • Phần mềm mô phỏng: Powersim PSIM v9.1 phục vụ mô phỏng động lực học và phát xung giải thuật.
  • Van công suất: Fairchild Semiconductor IGBT FGH60N60SFD ($V_{CES} = 600\text{V}$, $I_C = 60\text{A}$ tại $100^\circ\text{C}$, $V_{CE(sat)} = 2.2\text{V}$, công nghệ Field Stop Trench).
  • IC Driver & Nguồn cách ly: Toshiba TLP250 (Optocoupler tốc độ cao, dòng đỉnh $\pm 1.5\text{A}$, điện áp cách ly $2500\text{V}{rms}$); Mornsun QA01 (Nguồn DC-DC chuyên dụng cho IGBT driver, Input 15V, Output $+15\text{V}/-9\text{V}$, cách ly $3000\text{V}{DC}$).

Methodology

Quy trình nghiên cứu áp dụng mô hình chuẩn V-Model trong kỹ thuật hệ thống nhúng:

  1. Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 3): Khảo sát lý thuyết, xây dựng mô hình toán vector không gian và mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều chế SPWM trên PSIM.
  2. Giai đoạn 2 (Tuần 4 - 6): Thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic) và mạch in (PCB) 2 lớp trên phần mềm Altium Designer; chế tạo và kiểm tra nguội bo mạch driver, bo mạch công suất.
  3. Giai đoạn 3 (Tuần 7 - 9): Lập trình nhúng cấu hình module ePWM trên DSP TMS320F28335; đo kiểm xung kích thực tế qua dao động ký (Oscilloscope).
  4. Giai đoạn 4 (Tuần 10 - 12): Tích hợp toàn hệ thống, chạy thử nghiệm tải công suất với các kịch bản hở mạch nhân tạo, ghi nhận dạng sóng và đánh giá THD.

Quản trị rủi ro hệ thống:

  • Hiện tượng ngắn mạch nhánh van (Shoot-through): Cài đặt phần cứng và phần mềm Dead-band trên khối ePWM với thời gian trễ $t_{dead} = 2.0,\mu\text{s}$.
  • Nhiễu điện từ (EMI) từ mạch động lực sang khối vi xử lý: Tách biệt hoàn toàn GND động lực và GND điều khiển, sử dụng nguồn chuyển đổi DC-DC cách ly QA01 và Opto TLP250.

Implementation và kết quả

Development process

Cốt lõi của giải thuật tự sửa lỗi nằm ở việc can thiệp vào tín hiệu điều chế và nguồn cấp DC khi phát hiện trạng thái hở mạch của van.

1. Trường hợp hở khóa đỉnh $S_{A1}$ (hoặc khóa đáy $S_{A3}$): Khi $S_{A1}$ hở mạch, pha A không thể tạo ra mức điện áp $+V_{dc}/2$. Để tái lập sự cân bằng điện áp dây, hệ thống kích ngắt hoàn toàn $S_{A3}$ và kích đóng thường trực khóa trung tính $S_{A2}$. Khi đó, điện áp pha A so với điểm trung tính nguồn O trở thành $U_{AO} = 0$.

Phương trình điện áp pha tải sau sự cố được tái cấu trúc: $$\begin{cases} U'{AN} = \frac{2U'{AO} - U'{BO} - U'{CO}}{3} = \frac{- U'{BO} - U'{CO}}{3} \ U'{BN} = \frac{-U'{AO} + 2U'{BO} - U'{CO}}{3} = \frac{2U'{BO} - U'{CO}}{3} \ U'{CN} = \frac{-U'{AO} - U'{BO} + 2U'{CO}}{3} = \frac{-U'{BO} + 2U'{CO}}{3} \end{cases}$$

Để duy trì điện áp pha tải $U'{AN}, U'{BN}, U'_{CN}$ có biên độ và góc lệch pha không đổi so với trạng thái bình thường, điện áp tham chiếu của pha B và pha C được dịch chuyển một góc $\pi/6$ ($30^\circ$) và biên độ được điều chỉnh: $$\begin{cases} U'_A = 0 \ U'_B = \sqrt{3} \cdot m \cdot \sin\left(\theta - \frac{2\pi}{3} + \frac{\pi}{2}\right) = \sqrt{3} \cdot m \cdot \sin\left(\theta + \frac{5\pi}{6}\right) \ U'_C = \sqrt{3} \cdot m \cdot \sin\left(\theta + \frac{2\pi}{3} - \frac{\pi}{2}\right) = \sqrt{3} \cdot m \cdot \sin\left(\theta - \frac{5\pi}{6}\right) \end{cases}$$

Do biên độ tín hiệu tham chiếu mới xuất hiện hệ số $\sqrt{3} \approx 1.732$, nếu giữ nguyên $V_{dc}$ thì bộ điều chế sẽ rơi vào vùng quá điều chế (Overmodulation $m > 1$), làm méo dạng nghiêm trọng điện áp ngõ ra. Giải pháp đưa ra là chuẩn hóa lại tín hiệu điều chế bằng cách chia cho $\sqrt{3}$ và đồng thời điều khiển mạch Boost nâng điện áp nguồn $V_{dc}$ lên $\sqrt{3}$ lần ($V'{dc} = \sqrt{3} V{dc}$).

Độ rộng xung (Duty Cycle) của khóa IGBT trong mạch Boost được tính toán chính xác theo công thức: $$V_o = \frac{V_i}{1 - D} \implies \sqrt{3} V_i = \frac{V_i}{1 - D} \implies D = 1 - \frac{1}{\sqrt{3}} \approx 0.4226 \quad (42.26%)$$

// Đoạn mã thuật toán cấu hình PWM trên DSP TMS320F28335 khi xảy ra sự cố
void Fault_Tolerant_Reconfiguration(Uint16 fault_type, float32 theta, float32 m)
{
    float32 ua_ref, ub_ref, uc_ref;
    float32 duty_boost = 0.0;

    if (fault_type == FAULT_NONE) {
        // Trạng thái bình thường: SPWM 3 pha chuẩn
        ua_ref = m * sin(theta);
        ub_ref = m * sin(theta - 2.094395); // -2*pi/3
        uc_ref = m * sin(theta + 2.094395); // +2*pi/3
        duty_boost = 0.0;                   // Mạch Boost không kích
    }
    else if (fault_type == FAULT_SA1_OPEN || fault_type == FAULT_SA3_OPEN) {
        // Tự sửa lỗi hở khóa SA1/SA3: Khoá SA2 dẫn liên tục, SA1=0, SA3=0
        ua_ref = 0.0;
        ub_ref = m * sin(theta + 2.617994); // theta + 5*pi/6
        uc_ref = m * sin(theta - 2.617994); // theta - 5*pi/6
        duty_boost = 0.4226497;             // Kích hoạt Boost D = 1 - 1/sqrt(3)
        
        // Thiết lập cưỡng bức trạng thái chân GPIO mạch kích pha A
        EPwm1Regs.AQCSFRC.bit.CSFA = 1;      // Force Low cho SA1/SA3
        EPwm1Regs.AQCSFRC.bit.CSFB = 2;      // Force High cho SA2
    }
    else if (fault_type == FAULT_SA2_OPEN) {
        // Tự sửa lỗi hở khóa SA2: Chuyển pha A sang nghịch lưu 2 bậc (+Vdc/2 và -Vdc/2)
        ua_ref = m * sin(theta);
        ub_ref = m * sin(theta - 2.094395);
        uc_ref = m * sin(theta + 2.094395);
        duty_boost = 0.0;
        
        // Pha A điều chế 2 bậc chuyển mạch giữa SA1 và SA3, SA2 cắt hoàn toàn
        EPwm1Regs.AQCSFRC.bit.CSFB = 1;      // Force Low cho SA2
    }

    // Cập nhật giá trị thanh ghi so sánh PWM (CMPA/CMPB)
    Update_PWM_Registers(ua_ref, ub_ref, uc_ref, duty_boost);
}

2. Trường hợp hở khóa ngang $S_{A2}$: Pha A không thể tạo mức điện áp $0\text{V}$ (kết nối trung tính). Giải thuật cấu hình pha A hoạt động theo nguyên lý nghịch lưu 2 bậc: chỉ chuyển mạch luân phiên giữa $S_{A1}$ ($+V_{dc}/2$) và $S_{A3}$ ($-V_{dc}/2$), trong khi hai pha B và C vẫn duy trì đóng cắt 3 bậc bình thường.

Testing và validation

Quá trình đo đạc và thẩm định được tiến hành qua hai bước: mô phỏng trên PSIM và chạy thực nghiệm trên mô hình phần cứng tại Phòng Thí nghiệm Điện tử công suất nâng cao D405.

Thông số thực nghiệm:

  • Điện áp nguồn DC danh định ban đầu: $V_{in} = 40\text{VDC}$.
  • Điện áp DC sau khi kích Boost sửa lỗi: $V_{dc} = 40\sqrt{3} \approx 69.28\text{VDC}$.
  • Tần số sóng mang (Carrier frequency): $f_c = 10\text{kHz}$.
  • Tần số điều khiển ngõ ra: $f_m = 50\text{Hz}$.
  • Tải ba pha: Tải trở thuần $R = 50,\Omega$ đấu hình sao (Y).

Kết quả kiểm chứng thông số:

Kịch bản vận hành Điện áp dây $U_{AB(RMS)}$ (Mô phỏng) Điện áp dây $U_{AB(RMS)}$ (Thực nghiệm) THD dòng điện ngõ ra Trạng thái hệ thống
Bình thường (Không lỗi) $28.28\text{V}$ $27.90\text{V}$ $1.82%$ 3 bậc chuẩn, cân bằng 3 pha
Sự cố hở $S_{A1}$ (Chưa sửa lỗi) $14.14\text{V}$ (mất nửa sóng) $13.85\text{V}$ (méo sóng) $28.65%$ Mất cân bằng, sụt áp nghiêm trọng
Đã tự sửa lỗi $S_{A1}$ (+Boost) $28.25\text{V}$ $27.65\text{V}$ $4.21%$ 100% biên độ danh định, sóng sin đẹp
Đã tự sửa lỗi $S_{A2}$ (Pha A 2-bậc) $28.28\text{V}$ $27.80\text{V}$ $3.45%$ Biên độ đủ, THD tăng nhẹ tại pha A

Kết quả đạt được

Hệ thống đã hoàn thành xuất sắc các chỉ tiêu đề ra:

  • Phục hồi $99.1%$ biên độ điện áp dây định mức sau sự cố hở khóa $S_{A1}/S_{A3}$ mà không cần ngắt tải.
  • Thời gian ổn định điện áp sau chuyển đổi trạng thái đạt dưới $15\text{ms}$.
  • Khối nguồn driver QA01 đảm bảo điện áp phân cực ngược $-9\text{V}$ khóa chặt van, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng kích dẫn sai do biến thiên điện áp $dv/dt$ cao.

Đổi mới và đóng góp

  1. Thuật toán tái cấu trúc pha kết hợp nâng áp động: Khác với các công trình nghiên cứu sử dụng nhánh van phụ dự phòng (Fault-tolerant 4-leg inverter), nghiên cứu này loại bỏ hoàn toàn phần cứng thừa, tận dụng mạch Boost đầu vào để bù đắp năng lượng thiếu hụt, giúp giảm $25%$ số lượng van công suất cần dự phòng trong toàn hệ thống.
  2. Khả năng tự thích ứng đa chế độ: Hệ thống giải thuật xử lý phân tách rõ ràng hai nhóm lỗi: lỗi van chính ($S_{A1}/S_{A3}$) dùng phương pháp bù góc $150^\circ$ kết hợp Boost, và lỗi van kẹp ngang ($S_{A2}$) dùng phương pháp hạ bậc điều chế cục bộ sang 2 bậc.
  3. Hiệu quả kinh tế và tối ưu không gian: Mạch 3 pha hình T không dùng diode kẹp cồng kềnh như NPC, kết hợp thiết kế module driver QA01 + TLP250 thu nhỏ footprint của bo mạch công suất hơn $30%$.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Các tình huống ứng dụng thực tế

  • Hệ thống biến tần điện mặt trời hòa lưới (Grid-tied Solar PV): Khi các tấm pin lắp đặt tại các vùng hẻo lánh, sự cố hở khóa nghịch lưu thường làm ngắt toàn bộ chuỗi pin. Giải thuật tự sửa lỗi giúp hệ thống tiếp tục phát điện liên tục lên lưới trong khi chờ kỹ thuật viên bảo trì.
  • Hệ thống điều khiển động cơ trong dây chuyền sản xuất liên tục (Xi măng, Lọc hóa dầu, Giấy): Việc dừng động cơ truyền động chính có thể làm hỏng toàn bộ mẻ sản phẩm trị giá hàng trăm triệu đồng. Bộ biến tần tự sửa lỗi duy trì moment quay của động cơ mà không bị ngắt đột ngột.

Yêu cầu triển khai và khả năng mở rộng

  • Yêu cầu hạ tầng: Nguồn DC đầu vào từ $40\text{V}$ đến $600\text{V}$ (tùy dải công suất van); cuộn cảm Boost $L$ và tụ lọc $C$ phải được tính toán chịu dòng gợn và điện áp tăng vọt $\sqrt{3}V_{in}$.
  • Khả năng nâng cấp: Dễ dàng nâng cấp thuật toán từ điều chế SPWM sang không gian vector SVPWM (Space Vector PWM) hoặc điều khiển dòng trực tiếp (FOC - Field Oriented Control) bằng cách nạp lại firmware trên DSP TMS320F28335 mà không cần thay đổi phần cứng.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Mạch phần cứng thực nghiệm hiện tại kích hoạt kịch bản lỗi thông qua công tắc giả lập/lệnh phần mềm, chưa tích hợp khâu tự động phát hiện và chẩn đoán lỗi thời gian thực (Real-time Fault Diagnosis) dựa trên cảm biến dòng/áp.
  • Khi khóa $S_{A1}$ bị hở mạch và mạch Boost hoạt động với $D = 0.4226$, dòng điện đỉnh qua cuộn cảm và van Boost tăng lên $\sqrt{3}$ lần, đòi hỏi van Boost phải chọn dải định mức dòng cao hơn.

Hướng phát triển

  • Ứng dụng các thuật toán chẩn đoán lỗi nhanh dựa trên biến đổi Park/Clark hoặc mạng nơ-ron tích chập (CNN) để phát hiện và định vị chính xác khóa hỏng trong vòng dưới $1\text{ms}$.
  • Mở rộng cấu trúc tự sửa lỗi cho các bộ nghịch lưu đa bậc tiên tiến hơn như 5-level ANPC (Active Neutral Point Clamped) và tích hợp điều khiển vòng kín dòng điện, điện áp (Closed-loop dq-frame control).

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên và Học viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử: Nguồn tài liệu thực tế toàn diện về thiết kế phần cứng biến tần đa bậc, kỹ thuật lập trình DSP chuyên sâu cho điều khiển số và mô phỏng PSIM.
  • Kỹ sư R&D thiết kế thiết bị nguồn: Nắm vững giải pháp thiết kế mạch kích cách ly an toàn cao (QA01 + TLP250) và các chiến lược chịu lỗi (Fault-tolerant strategy) cho sản phẩm biến tần công nghiệp.
  • Doanh nghiệp sản xuất và tích hợp hệ thống năng lượng: Tiếp cận giải pháp nâng cao độ tin cậy của bộ biến đổi điện lực với chi phí bổ sung phần cứng bằng $0$ (tận dụng mạch Boost sẵn có của bộ điều khiển MPPT).

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng tối thiểu để triển khai giải thuật tự sửa lỗi này là gì?
Hệ thống yêu cầu một vi điều khiển/DSP có tối thiểu 7 kênh phát xung PWM độc lập (6 kênh cho 3 pha hình T và 1 kênh cho van Boost), tần số xung nhịp $\ge 100\text{MHz}$ (như DSP TMS320F28335, STM32F4/G4), 12 van IGBT có mạch driver cách ly độc lập và một mạch DC-DC Boost Converter đầu vào.

2. Tại sao phải nâng điện áp DC lên $\sqrt{3}$ lần khi hở khóa $S_{A1}$?
Khi $S_{A1}$ hở, điện áp pha A buộc phải ghim về $0\text{V}$ ($U_{AO} = 0$). Để tạo ra điện áp dây $U_{AB}, U_{CA}$ đủ biên độ danh định mà không làm méo tín hiệu điều chế (quá điều chế), hệ thống phải tăng góc lệch pha tham chiếu của pha B và C lên $\sqrt{3}$ lần về mặt toán học. Do đó, nguồn DC phải được tăng áp tương ứng $\sqrt{3}$ lần để bù đắp sự suy giảm biên độ này.

3. Sự khác nhau giữa lỗi ngắn mạch (Short-circuit) và hở mạch (Open-circuit) trong cấu trúc này?
Lỗi ngắn mạch tạo ra dòng điện quá mức ngay lập tức làm đứt cầu chì hoặc kích hoạt mạch bảo vệ phần cứng (Desaturation Protection). Lỗi hở mạch không làm nhảy bảo vệ quá dòng nhưng làm biến dạng dòng điện và điện áp ngõ ra, khiến hệ thống rung lắc hoặc dừng dần. Đề tài tập trung xử lý lỗi hở mạch hoặc lỗi ngắn mạch đã được cầu chì/driver cách ly thành hở mạch.

4. Mạch nguồn cách ly QA01 có vai trò gì đặc biệt so với nguồn thông thường?
QA01 cung cấp điện áp ngõ ra đối xứng $+15\text{V}$ để mở bão hòa IGBT và $-9\text{V}$ để khóa chắc chắn IGBT. Mức điện áp âm $-9\text{V}$ ngăn chặn tuyệt đối hiện tượng tự kích mở do dòng điện ký sinh chạy qua điện dung Miller ($C_{gc}$) khi điện áp $V_{CE}$ biến thiên với tốc độ cao ($dv/dt$).

5. Chi phí triển khai giải pháp này có cao hơn biến tần thông thường không?
Chi phí phần cứng gần như tương đương biến tần hình T thông thường vì hầu hết các hệ thống điện mặt trời hoặc biến tần công nghiệp đều đã tích hợp sẵn tầng DC-DC Boost phía trước. Điểm khác biệt cốt lõi nằm ở thuật toán phần mềm thông minh nạp vào DSP.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế bộ nghịch lưu 3 pha hình T tự sửa lỗi hở 1 khóa" đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng cho hệ thống biến đổi năng lượng ba pha. Bằng cách kết hợp linh hoạt giữa lý thuyết điều chế vector không gian, tái cấu trúc pha tham chiếu và điều khiển tăng áp DC thích ứng, hệ thống đảm bảo cấp nguồn liên tục cho phụ tải với biên độ điện áp danh định $100%$ và THD được tối ưu hóa dưới $5%$. Đây là đóng góp có giá trị thực tiễn cao cho ngành công nghệ kỹ thuật điện - điện tử, mở ra hướng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo và tự động hóa công nghiệp hiện đại.