Đánh giá về các bộ vienna đa mức một pha và đề xuất sơ đồ vienna 7 mức cho các ứng dụng PFC AC/DC

 mức. Trong số đó, bộ 
biến đổi Vienna ba mức đã được nghiên cứu trong một số 
bài báo và được áp dụng rộng rãi trong các ngành công 
nghiệp khác nhau như UPS (Cung cấp điện liên tục), viễn 
thông [1], hệ thống tuabin gió [2, 3] và các hệ thống hiệu 
chỉnh hệ số công suất [4]. 
Trong bài báo này, tác giả đánh giá về sơ đồ Vienna 3 
mức, sau đó mở rộng thiết kế ra sơ đồ 5 mức, từ đó đề xuất 
sơ đồ 7 mức. Tác giả cũng đã phân tích, so sánh các 
phương pháp điều chế, tính toán so sánh THD dòng điện 
cho các sơ đồ và kiểm chứng hoạt động của các sơ đồ bằng 
phần mềm mô phỏng PSIM. 
2. SƠ ĐỒ VIENNA AC/DC 3 MỨC MỘT PHA 
Sơ đồ Vienna 3 mức một pha một chiều công suất như 
thể hiện ở hình 1. Trong đó chỉ có một van có điều khiển 
được sử dụng. Giả thiết rằng chế độ dẫn liên tục, điện áp 
đầu vào của bộ chỉnh lưu Vinput có trạng thái định nghĩa 
được xác định bởi các trạng thái ON / OFF của van bán dẫn 
có điều khiển và phân cực của dòng điện xoay chiều tại bất 
kỳ thời điểm hoạt động nào. Ví dụ, nếu dòng điện iAC dương 
và van bán dẫn có điều khiển Tr khóa, điện áp giữa cực A 
của bộ biến đổi và điểm giữa O của bus một chiều, tương 
đương điện áp van là Vs. Đường đi của dòng điện trong 
trường hợp này được minh họa ở hình 2a. Nếu dòng điện 
IAC là dương và van bán dẫn Tr là dẫn, thì điện áp van bằng 
0 và trong trường hợp đó đường đi của dòng điện được 
minh họa trong hình 2b. Tương tự như vậy, nếu dòng điện 
IAC là âm, điện áp van mang là -Vs nếu van bán dẫn Tr là 
khóa hoặc bằng 0 nếu van bán dẫn Tr dẫn như được minh 
họa lần lượt trong hình 2c và d. Để loại bỏ sóng hài tần số 
thấp (tần số thấp hơn tần số chuyển mạch) trong dòng 
điện xoay chiều, điện áp pha đầu vào bộ biến đổi phải 
không có sóng hài tần số thấp, ngoại trừ sóng hài bậc ba, 
có thể xuất hiện trong tín hiệu điều chế để tăng thành 
phần cơ bản mà không bị quá điều chế. 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 2 (4/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 10
KHOA HỌC P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
Hình 1. Bộ biến đổi AC/DC Vienna 3 mức 1 pha 
a) b) 
c) d) 
Hình 2. a) Đường dẫn của dòng điện ứng với dòng xoay chiều đầu vào IAC>0 
và van bán dẫn có điều khiển OFF; (b) IAC>0 và van bán dẫn có điều khiển ON; 
(c) IAC<0 và van bán dẫn có điều khiển OFF; (d) IAC<0 và van bán dẫn có điều 
khiển ON 
3. BỘ BIẾN ĐỔI AC/DC VIENNA 5 MỨC 
Hình 3a thể hiện sơ đồ Vienna 5 mức bằng cách mở 
rộng thêm một nhóm chuyển mạch khi dòng điện dương 
và một nhóm chuyển mạch khi dòng điện âm [5,6]. Hình 
3b, cho thấy phần mở rộng 5 mức bằng cách bổ sung thêm 
một nhóm 3 mức nối tầng, được đặt tên là PFC xếp chồng 5 
mức [7]. Trong mọi trường hợp, cần lưu ý rằng các tụ điện 
nổi được thiết kế ứng với tần số chuyển mạch, chỉ phải chịu 
điện áp điện mức là Vs/2 và duy trì Amps-giây chỉ trong 
một nửa chu kì thời gian của dòng điện xoay chiều. Những 
tính chất này rất quan trọng, cho phép chọn tụ điện nổi 
nhỏ, dòng hiệu dụng thấp và kích thước nhỏ so với các bộ 
biến đổi thông thường. 
a) b) 
c) d) 
Hình 3. Hình thành cấu trúc AC/DC Vienna 5 mức 
a) b) 
c) d) 
Hình 4. Minh họa đường dẫn dòng điện khi dòng điện IAC dương. Khi van 
bán dẫn Tr1, Tr2 cùng khóa (a); Tr1 OFF, Tr2 ON (b); Hai van bán dẫn Tr1, Tr2 
cùng ON (c); Tr1 ON, Tr2 OFF (d) 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 2 (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 11
Bảng 1. Phân tích trạng thái hoạt động của mạch điện khi dòng điện dương 
Ctrl_Tr1 Ctrl_Tr2 V_Tr1 V_Tr2 V_Ds1 V_Ds2 Vinput CdVc1 
/dt 
CdVc2 
/dt 
0 0 Vs/2 Vdc/4 0 Vs không 
đóng cắt 
Vs 0 0 
0 1 Vs/2 0 Vs/2 
đóng 
cắt 
Vs/2 
không 
đóng cắt 
Vs/2 +IAC 0 
1 1 0 0 Vs/2 
đóng 
cắt 
Vs/2 
không 
đóng cắt 
0 0 0 
1 0 0 Vs/2 0 Vs không 
đóng cắt 
Vs/2 -IAC 0 
4. CHIẾN LƯỢC ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG 
Các phương pháp chuyển mạch cho bộ chỉnh lưu 
Vienna được đề xuất trong [4-5, 8-10]. Các phương pháp 
này đáp ứng yêu cầu đối với hoạt động bình thường của bộ 
chỉnh lưu Vienna: dấu của dòng điện phải cùng với dấu 
hiệu của điện áp [3-5, 8-10]. Do đó, bộ chỉnh lưu Vienna có 
một hạn chế trong thay đổi hệ số công suất. Trong số các 
phương pháp chuyển mạch này, các phương pháp chuyển 
mạch trễ được đề xuất để kiểm soát các dòng điện đầu vào 
có được dạng sóng hình sin [3-5]. Các tín hiệu chuyển mạch 
được tạo ra bằng cách so sánh dòng điện tham chiếu hình 
sin và dòng điện xoay chiều đo được. Mặc dù cách tiếp cận 
này dễ thực hiện, nhưng tần số chuyển mạch không phải là 
hằng số. Do đó, phương pháp này gây khó khăn cho việc 
thiết kế bộ lọc đầu vào. Các phương pháp điều chế độ rộng 
xung đã được đề xuất như là giải pháp cho các nhược điểm 
của các phương pháp chuyển mạch trễ. Phương pháp này 
đảm bảo tần số chuyển mạch không đổi. 
Tín hiệu điều chế cho phép điện áp xoay chiều đầu vào 
với THD tối thiểu và cân bằng điện áp của hai tụ điện nổi. 
Đối với hoạt động của bộ 5 mức, bốn sóng mang phải được 
sử dụng. Cách tiếp cận đầu tiên được chỉ ra trong hình 5a 
và bao gồm việc mở rộng bộ điều biến 3 mức với hai sóng 
mang xen kẽ lệch pha một góc π. Giải pháp này có thể 
được sử dụng nếu có tính cân bằng tự nhiên được thực 
hiện thông qua bộ lọc được đặt ở đầu vào của bộ biến đổi 
ở tần số chuyển mạch. Ở đây, cách tiếp cận này không phù 
hợp với chiến lược xử lý lỗi vì việc giảm tần số biểu kiến 
trong chế độ lỗi tạo ra sự cộng hưởng với bộ lọc đầu vào 
được điều chỉnh ở cùng tần số (nghiên cứu tiếp theo của 
bài báo này). 
Một giải pháp có thể được sử dụng để cân bằng ở tần số 
thấp bằng cách kiểm soát các hệ số điều chỉnh khác nhau. 
Ngay cả khi cân bằng được thực hiện trên hình 5b cho thấy 
giải pháp đầu tiên này cung cấp điện áp pha không được 
tối ưu hóa do sự thay đổi pha ±π của sóng điều hòa điện áp 
ở tần số chuyển mạch biểu kiến khi mức điều chế vượt qua 
{-1/2, 0, 1/2}. Tuy nhiên, hình 6a cho thấy một giải pháp rất 
thú vị thứ hai do bốn sóng mang xếp chồng thể hiện trong 
hình 6b, dạng sóng điện áp pha được tối ưu hóa do triệt 
tiêu sóng hài điện áp dây ở tần số chuyển mạch biểu kiến. 
Trong giải pháp thứ hai này, việc cân bằng điện áp phức 
tạp hơn so với chiến lược đối pha. Một máy trạng thái được 
chỉ ra trong [10] nhưng nó sẽ không được chi tiết trong bài 
báo này. 
a) Sóng mang và tín hiệu điều chế 
b) Điện áp 5 mức đầu vào của bộ biến đổi Vienna 5 mức 
Hình 5. Kết quả mô phỏng ứng với phương pháp điều chế lệch pha 
(Modulation POD) 
a) Sóng mang và tín hiệu điều chế 
b) Điện áp 5 mức đầu vào của bộ biến đổi Vienna 5 mức 
Hình 6. Kết quả mô phỏng ứng với phương pháp điều chế cùng pha 
(Modulation PD) 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 2 (4/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 12
KHOA HỌC P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
5. ĐỀ XUẤT BỘ BIẾN ĐỔI AC/DC VIENNA 7 MỨC 
Tác giả đề xuất sơ đồ AC/DC Vienna 7 mức có cấu tạo 
gồm 4 van có điều khiển, 2 điôt chỉnh lưu, 6 điôt chuyển 
mạch, 2 điôt chặn, 4 tụ nổi như thể hiện ở hình 7b. 
Đối với dòng điện xoay chiều dương, hai nhóm chuyển 
mạch của sơ đồ Vienna 5 mức (hình 7a) sẽ thay nhau hoạt 
động để tạo ra điện áp 3 mức ở nửa chu kì dương bao gồm 
các mức điện áp {+Vs, +Vs/2, 0}. Nhóm chuyển mạch số 1 
(đánh dấu màu vàng), nhóm chuyển mạch số 2 (đánh dấu 
màu cam). Để có được điện áp 7 mức, thì tác giả đề xuất bổ 
sung thêm một nhóm chuyển mạch đối với dòng điện 
dương như thể hiện ở hình 7b. Nhóm chuyển mạch số 1 
(đánh dấu màu vàng), nhóm chuyển mạch số 2 (đánh dấu 
màu cam), nhóm chuyển mạch số 3 (đánh dấu màu đỏ). 
Một cách tương tự ta sẽ có hai nhóm chuyển mạch của sơ 
đồ Vienna 5 mức (hình 8a) và ba nhóm chuyển mạch của sơ 
đồ Vienna 7 mức (hình 8b) đối với dòng điện âm. 
a) 
b) 
Hình 7. Các nhóm chuyển mạch của sơ đồ Vienna a) 5 mức, b) 7 mức ứng với 
dòng điện xoay chiều đầu vào dương (IAC>0) 
a) 
b) 
Hình 8. Các nhóm chuyển mạch của sơ đồ Vienna a) 5 mức, b) 7 mức ứng với 
dòng điện xoay chiều đầu vào dương (IAC<0) 
Mỗi nhóm chuyển mạch sẽ hoạt động ở tần số chuyển 
mạch lớn, các trạng thái chuyển mạch ứng với dòng điện 
xoay chiều dương được thể hiện ở bảng 2, qua phân tích 
tác giả thấy rằng bằng việc điều khiển bốn van transistor 
thì đã tạo ra các trạng thái cân bằng cho các tụ nổi, 2 tụ nổi 
ở tầng trên và tương tự như vậy đối với nửa chu kì âm của 
dòng điện. Mỗi tụ nổi trong quá trình hoạt động chịu điện 
áp cao nhất là Vs/3 đổi với các tụ C1p, C1n và 2 Vs/3 đối với 
các tụ C2p và C2n. Trong khi đối với sơ đồ Vienna 5 mức có 2 
tụ nổi với điện áp định mức là Vs/2. Một ưu điểm của sơ đồ 
Vienna 7 mức được thiết kế là có thành phần điện cảm thụ 
động đầu vào nhỏ hơn rất nhiều so với sơ đồ 3 mức và 5 
mức do mỗi van có điều khiển chỉ phải chịu điện áp Vs/3 so 
với Vs/2 của sơ đồ 5 mức và Vs của sơ đồ 3 mức. Trong khi 
tần số đóng cắt của van transistor ở sơ đồ 3 mức là fsw, còn 
sơ đồ 5 mức là 2.fsw và sơ đồ 7 mức là 4.fsw. 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 2 (Apr 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 13
Bảng 2. Phân tích trạng thái hoạt động của sơ đồ Vienna 7 mức khi dòng 
điện dương 
Ctrl_Tr1 Ctrl_Tr2 Ctrl_Tr3 Ctrl_Tr4 V_input CdVc1p/dt CdVc2p/dt 
0 0 0 1 Vs 0 0 
1 0 0 1 -Vs/3+Vs=2Vs/3 -IAC 0 
1 1 0 1 -2Vs/3+Vs=Vs/3 0 -IAC 
0 1 0 1 Vs/3- 2Vs/3+Vs 
=2Vs/3 
+IAC -IAC 
0 0 1 1 2Vs/3 0 +IAC 
1 0 1 1 -Vs/3+2Vs/3 
= Vs/3 
-IAC +IAC 
1 1 1 1 0 0 0 
0 1 1 1 Vs/3 +IAC 0 
6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
Mô phỏng hệ thống 3kW đã được thực hiện bằng phần 
mềm PSIM. Các đặc điểm hệ thống được mô tả ở bảng 3. 
Bảng 3. Các thông số mô phỏng 
Thông số Giá trị 
Công suất định mức 3kW 
Điện áp hiệu dụng nguồn xoay chiều 230Vrms 
Điện áp DC- Link 700 - 800V 
Điện cảm đầu vào 0,165mH 
Giá trị mỗi tụ đầu ra 2mF 
Kết quả mô phỏng của sơ đồ Vienna 3 mức được hiển 
thị trong hình 9. Điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu Vinput 
có các mức {+400V; 0; -400V}. Mỗi transistor đóng cắt dòng 
điện xoay chiều đầu vào với tần số fsw và mang điện áp 
400V và họat động ở cả hai chu kì của dòng điện xoay 
chiều. Các điôt chuyển mạch (Da1; Da2) và điôt chặn (Ds1; 
Ds2) đều đóng cắt ở điện áp 400V. 
Hình 9. Các dạng sóng mô phỏng điển hình cho sơ đồ AC/DC Vienna 3 mức 
3kW/ 230V AC/50Hz/ 800V DC-link/ 31,25kHz 
Hình 10 thể hiện mô phỏng của sơ đồ AC/DC Vienna 5 
mức với các mạch vòng điều khiển dòng điện và điện áp, 
bao gồm quá trình khởi động. Điện áp xoay chiều đầu vào 
của bộ chỉnh lưu có 5 mức {+400V; +200V; 0; -200V; -400V}, 
mỗi tụ nổi sẽ phóng và sạc ở xung quanh điện áp làm việc 
200V. Điện áp trên hai tụ nổi được cân bằng với phương 
pháp điều chế PWM Phase Disposition. 
Hình 10. Các dạng sóng mô phỏng điển hình cho sơ đồ AC/DC Vienna 5 mức 
3kW/ 230V AC/50Hz/ 800V DC-link/ 31,25kHz 
Hình 11. Kết quả mô phỏng của sơ đồ AC/DC Vienna 7 mức 3kW/ 230V 
AC/50Hz/ 800V DC-link/ 31,25kHz 
Kết quả mô phỏng của sơ đồ AC/DC Vienna 7 mức được 
thể hiện ở hình 11. Điện áp xoay chiều đầu vào của bộ 
chỉnh lưu có 7 mức {+400V; +266V;+133V; 0; -133V; -266V; 
-400V}, mỗi tụ nổi sẽ phóng và sạc ở xung quanh điện áp 
làm việc lần lượt là 133V và 266V. Điện áp trên hai tụ nổi 
được cân bằng với phương pháp điều chế PWM Phase 
Disposition. Tác giả cũng đã tính toán THD của dòng điện 
xoay chiều đã cho thấy THD dòng điện của sơ đồ Vienna 7 
mức trong chế độ làm việc bình thường nhỏ hơn THD dòng 
điện của sơ đồ 5 mức và 3 mức như kết quả ở bảng 4. 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 2 (4/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 14
KHOA HỌC P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
Bảng 4. Bảng so sánh THD dòng điện của ba sơ đồ -3kW 
 Vienna 3 mức Vienna 5 mức Vienna 7 mức 
Điện áp DC-link 800V 800V 800V 
THD dòng điện 7,1% 4,45% 1,27% 
7. KẾT LUẬN 
Cấu trúc của bộ chỉnh lưu tích cực PFC Vienna 3 mức, 5 
mức và 7 mức được giới thiệu trong bài báo này. Đặc biệt, 
bài báo đề xuất sơ đồ Vienna 7 mức với chỉ 4 transistor có 
điều khiển so với các sơ đồ 7 mức khác đã được nghiên cứu 
như Double-Boost hay xếp tầng cần phải có ít nhất 8 
transistor có điều khiển. Phương pháp điều chế PWM được 
sử dụng cho kết quả hoạt động tốt của sơ đồ 7 mức đề 
xuất, các điện áp tụ nổi được cân bằng tự nhiên, và có các 
giá trị tương ứng là {2Vs/3; Vs/3; -Vs/3; -2Vs/3}, các bậc mức 
của điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu là Vs/3. Kết quả mô 
phỏng bằng phần mềm PSIM cũng cho thấy THD dòng 
điện của sơ đồ Vienna 7 mức đề xuất nhỏ hơn nhiều so với 
THD dòng điện của các sơ đồ 3 mức và 5 mức. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. J. W. Kolar and F. C. Zach, 1997. A novel three-phase utility interface 
minimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifier 
modules. IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 44, no. 4, pp. 456–467. 
[2]. H. Chen and D. C. Aliprantis, 2011. Analysis of Squirrel-Cage Induction 
Generator With Vienna Rectifier for Wind Energy Conversion System. IEEE Trans. 
Energy Convers., vol. 26, no. 3, pp. 967–975. 
[3]. J. S. Lee, E. Lee, and K. B. Lee, 2014. Hybrid parallel three-level converter 
topology for large wind turbine generation systems. IEEE 23rd International 
Symposium on Industrial Electronics (ISIE), pp. 515–520. 
[4]. B. Kedjar, H. Y. Kanaan, and K. Al-Haddad, 2014. Vienna Rectifier With 
Power Quality Added Function. IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 61, no. 8, pp. 3847–
3856. 
[5]. R. C. Campbell, 2007. A Circuit-based Photovoltaic Array Model for Power 
System Studies. 39th North American Power Symposium, pp. 97–101. 
[6]. U. Drofenik and J. W. Kolar, 1999. Comparison of not synchronized 
sawtooth carrier and synchronized triangular carrier phase current control for the 
VIENNA rectifier I. in Proceedings of the IEEE International Symposium on 
Industrial Electronics, 1999. ISIE ’99, vol. 1, pp. 13–19. 
[7]. J. W. Kolar and U. Drofenik, 1999. A new switching loss reduced 
discontinuous PWM scheme for a unidirectional three-phase/switch/level boost-
type PWM (VIENNA) rectifier. in Telecommunication Energy Conference, 1999. IN
℡EC ’99. The 21st International, 490 pp. 
[8]. R. Burgos, R. Lai, Y. Pei, F. Wang, D. Boroyevich, and J. Pou, 2008. Space 
Vector Modulator for Vienna-Type RectifiersBased on the Equivalence BetweenTwo- 
and Three-Level Converters: A Carrier-Based Implementation. IEEE Trans. Power 
Electron., vol. 23, no. 4, pp. 1888–1898.. 
[9]. J. S. Lee and K. B. Lee, 2015. Carrier-Based Discontinuous PWM Method 
for Vienna Rectifiers. IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 6, pp. 2896–2900. 
[10]. B. P. McGrath, T. Meynard, G. Gateau, and D. G. Holmes, 2007. Optimal 
Modulation of Flying Capacitor and Stacked Multicell Converters Using a State 
Machine Decoder. IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, no. 2, pp. 508–516. 
AUTHOR INFORMATION 
Pham Thi Thuy Linh 
Faculty of Control and Automation, Electric Power University