Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
7 
GIẢI THUẬT ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG 
GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH CHO NGHỊCH LƯU CẦU H-NPC 5 BẬC 
CARRIER PWM TECHNIQUE TO REDUCE 
SWITCHING FOR 5 LEVELS H BRIGDE NPC INVERTER 
Quách Thanh Hải, Đỗ Đức Trí, Bùi Minh Ẩn 
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 
Ngày tòa soạn nhận bài 16/2/2016, ngày phản biện đánh giá 26/3/2016, ngày chấp nhận đăng 15/4/2016 
TÓM TẮT 
Bài báo này trình bày kỹ thuật điều chế sóng mang thông qua việc sử dụng hàm offset 
nhằm giảm số lần chuyển mạch từ đó giảm tổn hao do sự chuyển mạch của các khóa công suất 
cho nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc. Kỹ thuật này sử dụng hàm offset là thành phần bậc 3 để 
chuyển các sóng điện áp điều khiển về ngưỡng so sánh là cực đại hoặc cực tiểu của biên độ các 
sóng mang trên cơ sở điều chế gián đoạn. Việc chuyển điện áp điều khiển của pha nào về nhiều 
ngưỡng khác nhau và được lựa chọn tối ưu sao cho biên độ điện áp offset là nhỏ nhất. Với kỹ 
thuật xây dựng hàm offset trình bày trong nghiên cứu toàn bộ các ngưỡng so sánh của sóng 
mang sẽ được sử dụng để giảm số lần chuyển mạch của các khóa công suất. Số lần chuyển 
mạch/pha/chu kỳ có thể giảm đến 33% theo lý thuyết và có thể đạt 15.25% ở tần số sóng mang 
3000Hz. Kết quả của giải thuật được kiểm chứng qua mô phỏng và qua quá trình thực nghiệm. 
Từ khóa: điều chế sóng mang; hàm offset; giảm số lần chuyển mạch; nghịch lưu cầu H-NPC; 
5 bậc. 
ABSTRACT 
A new carrier pulse width modulation with a novel offset base to reduce switching times 
and thus, all switching loss in five-level H-brigde neutral point clamped inverter will be 
presented in this paper. The proposed technique uses the offset which is the 3
rd
 voltages to 
transfer the control voltage into the extremum levels of each carrier in a discontinuos manner. 
This transferring depends on the distances of control voltage to levels is minimum. So that in this 
research five levels of carrier will be used to reduce the intersection of control and the carrier 
wave to reduce the amount of switching losses. With the pulse width modulation method and 
flexible offset voltages in this study, the number of switchings/phase in a cycle can be reduced by 
about 33% in theory and 15.25% in experimental at f carrier frequency 3000Hz. Simulation and 
experimental results are provided in order to validate the proposed method. 
Keywords: carrier pulse width modulator; offset function; reduce switching; H bridge NPC 
inverter; five levels. 
1. GIỚI THIỆU 
Bộ nghị ị 
 H 
8 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
nghị 
 ị 
 â 
bằ ê DC 
 â 
Đ ng nhu cầu th c t ì 
su t nghị ỏi 
ph t l T ê 
tần s chuy n m ch c t 
l ị gi i h n (th i gian chuy n m ch 
l t nhi u so v i linh ki t 
nhỏ). Trong m ch nghị n hao v 
 n bao gồm t ê ồn cung c p 
(PS), t ê â i (PL), t n hao cho 
m t (PDR n hao 
 ê t (PSW). T ê c 
 t gồm t n hao dẫ n (PCS) 
 n hao do s chuy n m ch (PSS 
 ịnh theo (1). 
S W S S C S
P P P 
 (1) 
Theo [10] ì n hao do s chuy n 
m ch (PSS) ph thuộ lần chuy n 
m ch trong một chu kỳ u khi n 
c ịnh bằng 
 c (2). 
 ∑ 
 C C 
 ∑ 
 C C 
(2) 
T lầ n m ch 
từ OFF ON; lầ n 
m ch từ ON sang OFF. EON EOFF 
 t dẫ ắ ; D 
n u s lần chuy n m ch l n sẽ dẫ n t n 
 ê 
 s n xu 
 ị t t C ì y 
vi ê u gi i thu m s lần 
chuy n m C ê [4 5 7 10] 
cho th y vi c gi m s lần chuy n m 
qua gi m tần s u ch u ng 
ph THD ộ 
 ị ộ thu u ch m 
s lần chuy n m ch c t 
 i tần s 
 u ng ph THD 
T ê [11] ã c 
hi ê thu u 
ch cho nghị 2 ê ộ 
 n nh ở ù u ch ỉ 
s u ch th p. Gi i thu xu t m i trong 
 ê é i quy t tri 
 ê c th c nghi ê ộ 
 ị 5 ầu H NPC. 
2. CẤU TRÚC NGHỊCH LƯU 5 BẬC 
CẦU H-NPC 
Mỗi pha c a nghị 3 5 c 
cầu H-NPC c c u t o từ 2 NPC 3 
b c ì 1. 
Hình 1. Pha a nghịch lưu 5 bậc cầu H-NPC. 
D ần Uxg ịnh 
d 3 : 
Uxg = UxgT - UxgP = udc.(TSxT - TSxP) (3) 
V i TSxch ị 4) v i 
Ch=T,P (bi u thị i). 
TSxj = TSxPj - TSxTj (4) 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
9 
T : j ỉ s n 
m ị 1-4 T 
 t. 
D , â ồn DC 
 ịnh theo (5): 
ScPScT
SbPSbT
SaPSaT
dc
cg
bg
ag
TT
TT
TT
u
U
U
U
 (5) 
V - â 
t i c a nghị cầu H-NPC 5 b c theo (6) 
 7): 
cg
bg
ag
cn
bn
an
U
U
U
U
U
U
211
121
112
3
1 (6) 
ScPScT
SbPSbT
SaPSaT
dc
cn
bn
an
TT
TT
TT
u
U
U
U
211
121
112
3
(7) 
D ần Uxg ch c 3 
 ầ Uxn n 
 â Uxy sẽ [4] C ì 
v th y rằng n 
gi i thu t nghị xu 3 ì 
sẽ ở ê ộ 
phầ 3 ê Bê 
 ũ th y rằ – â 
nguồn Uxg sẽ 5 c v i 2 m 2 
m â ị zero. 
3. GIẢI THUẬT PWM CẢI BIẾN 
GIẢM SỐ LẦN CHUYỂN MẠCH 
[11] 
Gi i thu t PWM c i bi n gi m s lần 
chuy n m [11] i thu t 
PWM b ê ần b 3 
 i 
m m s chuy n m ch c 
 u khi n tuy n nh t. 
G i vx l u khi ầu, 
vrx u khi ừ gi i 
thu t PWM c ê m s lần chuy n 
m ch (sẽ u ch B ê ộ 
 u bằ 
bằng 1. V i nghị 5 c cầu H NPC, 
 ỡ u khi n dịch chuy n 
 ±2 ù ộc kho ỏ nh t từ 
 u khi ỡ ê D 
 ị 8 : 
 offset [
MinP nế𝑢 MinP ≤ Min 
−Min nếu MinP > Min 
 (8) 
T , MinP M N ng 
 c ti u từ u khi n 
 ỡ +2 -2. 
N ẽ 
phần b 3 u khi n sau khi 
cộng offset sẽ d i v vị i v ộ dịch 
chuy ỏ nh 3 ồng th i 
 ê ộ gần cộng ho c trừ 2 nh t sẽ 
d i v ỡng +2 ho c -2 (Hì 2). 
a) b) 
Hình 2. Mô tả nguyên lý giải thuật PWM cải 
biến giảm số lần chuyển mạch [11]. 
N y, th y rằng gi i thu t 
 ỉ t n d ng 2 m +2 -2 ê 
 ần kho ng dịch chuy l 
 ê ộ c ỉ s u ch 
nhỏ. Gi i thu xu t m i sẽ t n d 
bộ ỡ ồ ±2 ±1 0 
 ồng th i kho ng dịch chuy ỏ nh t 
 ỏ 1 ê ộ ỉnh – ỉnh c a 
10 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
4. GIẢI THUẬT ĐỀ XUẤT 
4.1. Nguyên lý giải thuật 
G i vx u khi n pha x ban 
 ầu, vrx u khi ừ gi i 
thu t (sẽ u ch ). Ch m 
0 ê ộ nhỏ nh t 
 ê ộ ỉ u 
bằ ằ 1 ì ỡng 
 ẽ 0 1 2 3 4. 
Đ u khi x ịnh 
theo (9): 
𝑣𝑥 𝑣 ,𝑥 cos(𝜔𝑡 𝑗𝑥) 2 𝑣𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 (9) 
N y, t i m i th ị n 
 u khi n c a mỗ ằm giữa 2 
 ỡ ần k . Do 
 t Lx Hx : 
𝐿𝑥 [
𝑖𝑛𝑡(𝑣𝑥) 𝑖𝑓 𝑖𝑛𝑡(𝑣𝑥) < 4
𝑖𝑛𝑡(𝑣𝑥) − 1 𝑒𝑙𝑠𝑒
 (10) 
𝐻𝑥 𝐿𝑥 1 (11) 
T ì ỡ 
mang v Lx Hx ỡng 
 ê Vì y, kho ừ u 
khi ỡ ê 
c Nx Px ịnh theo(12) 
 13 : 
𝑁𝑥 𝑣𝑥 − 𝐿𝑥 (12) 
𝑃𝑥 𝐻𝑥 − 𝑣𝑥 (13) 
Đ t N min(NA, NB, NC) (14) 
V min( A, B, C) (15) 
L ịnh theo 
 16 ần b c 3: 
𝑉𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 [
 𝑛ế𝑢 ≤ N
−N 𝑛ế𝑢 N < 𝑃 
 (16) 
Đ u khi n sau khi cộng offset 
sẽ d i v vị 
 u khi ỡng so 
 ỏ nh t sẽ ị u khi n 
bằ ỡng c ần nh t. 
Hình 3. Mô tả dịch chuyển điện áp điều 
khiển theo giải thuật đề xuất 
K t qu ở Hì 4 cho th y s i 
 u khi n một pha ở ỉ s u 
ch =0 9 =0 4 C t qu ỏng 
cho th u khi n dịch v 
những kho ng th i gian) bằ ỡng so 
 D , những kho ng 
th ng sẽ 
chuy n m ch c t. T ng 
th n m ch c 
 ê ỗi pha sẽ chuy n 
m ch trong 1/3 chu kỳ H 
s lần chuy n m ch sẽ gi m 33%. 
a) b) 
Hình 4. Điện áp điều khiển ban đầu và sau 
khi áp dụng giải thuật đề xuất 
a) m=0.9, b) m=0.4. 
V i d u khi 
 i x ê a nghị ẽ 
 ầ DC ầ 
b c chẵn. 
4.2. Lưu đồ giải thuật 
V â ừ 4 1 1 â 
d ồ gi i thu ì 5 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
11 
Bắt đầu
Nhập Va, Vb, Vc
Tính Hx = Hx+1
Tính Lx = int(Vx)
Tính NA, NB, NC 
Tính PA, PB, PC 
N=min(PA, PB, PC) 
P=min(NA, NB, NC) 
P>N? Voffset=N Voffset=P 
Vox= Vx,+ Voffset 
Kết thúc 
Hình 5. Lưu đồ giải thuật đề xuất 
L ồ gi i thu t cho th y gi i thu 
xu t sử d : cộng, 
trừ ì D 
tri n khai gi i thu ì ẽ 
r t nhỏ, r ù p v i vi u khi 
 u khi ị ng k 
thu 
5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC 
NGHIỆM 
Đ u ki ỏng, th c nghi m nguồn 
DC 100V, tần s 3000Hz i R=10 
Ω L=30 H Tektronix TPS 2024B, 
HIO I 3197 V u khi n DSP F28335. 
a) Mô phỏng m=0.4 
b) Mô phỏng m=0.9 
c) Điện áp pha tâm nguồn khi m=0.4 
d) Dòng điện pha tâm nguồn khi m=0.4 
e) Điện áp pha tâm nguồn khi m=0.9 
12 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
f) Dòng điện pha tâm nguồn khi m=0.9 
Hình 6. Kết quả mô phỏng (a, b) và thực 
nghiệm (c, d, e, f) giải thuật đề xuất tại chỉ số 
m=0.4 và m=0.9. 
K t qu ỏng c nghi m cho 
th u khi n nằm ở 
 ỡ ì n m ê 
 ỉ 2 i 
 chuy n tr 
su t. So v i gi i thu t c ê m s lần 
chuy n m [11] ì i thu ũ 
gi m s chuy n m ng 
30% ồng th ê ộ ỏ 
 D , â ồ DC 
 â ẽ THD% gi m so v i gi i thu t 
[11]. T i chỉ s u ch =0 9 
t n t s é 
t ng (THD%) lầ 5 6 2 5 ỏ 
 ị ê ầ ê ẩn Vi t Nam hi n 
nay (TCVN-7909 2.2-2008 ồng th ũ 
 ê ẩn v nhi n từ ê 
chuẩn qu c t EN6100-2-2 (Hì 7). 
Hình 7. Phân tích THD áp pha tải và dòng 
điện tải thực nghiệm giải thuật đề xuất tại chỉ 
số điều chế m=0.9. 
Hì 8 t qu kh giữa 
chỉ s u ch é n 
 c 49. 
Hình 8. Quan hệ chỉ số điều chế và THD% 
điện áp pha tâm tải giải thuật đề xuất và giải 
thuật medimum common mode. 
K t qu kh ì 8 cho th y gi i 
thu xu s é ng (THD) 
c â m b ê ẩn 
TCVN-7909 2.2-2008 EN6100-2-2 ở ù 
 u ch ≥ 0 7. V ỉ s u ch nhỏ 
 ần ph ộ l m b 
 ê ẩ ê Bê t qu 
kh ỉ l % c 
phầ n cho th c chẵ 
xu t hi 3 ội 3 bị tri ê 
 ã ì 5 6 
(7). V c lẻ i b 51 
 ê ầu c ê ẩn) k t qu kh 
th ê ộ l c 5, 7, 11 
 ng v ì 9 5 ình 10 
 7 ì 11 c 11). 
Hình 9. Tỉ lệ % biên độ hài bậc 5 và thành 
phần cơ bản theo chỉ số điều chế m 
0
10
20
30
40
50
60
0 0,10,20,30,40,50,60,70,80,9 1 1,1
THD
% 
m 
G 
 EN 61000-2-2
0
1
2
3
4
5
6
7
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1
u5/u1
% 
m 
giải thuật đề 
xuất 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
13 
Hình 10. Tỉ lệ % biên độ hài bậc 7 và thành 
phần cơ bản theo chỉ số điều chế m 
Hình 11. Tỉ lệ % biên độ hài bậc 11 và thành 
phần cơ bản theo chỉ số điều chế m. 
T ê i TCVN-7909 2.2-2008 
 EN6100-2-2 ì ẫ ù p. 
V 5 ị ê ộ l n nh i 
chỉ s u ch m=0.6. T ê ộ t 
c ị 2 6% ê ộ 
b n. Kh c tuy u khi n c a gi i 
thu ũ y kh u khi n 
tuy i chỉ s m từ 0 n 1. 
Hình 12. Số lần chuyển mạch trong 4 chu kỳ 
theo chỉ số điều chế của giải thuật đề xuất với 
giải thuật [11] và giải thuật medimum 
common mode. 
Hì 11 y s s lần 
chuy n m ch trong b n chu kỳ u 
khi n c a gi i thu xu t v i gi i thu t 
gi m s lần chuy n m [11] i thu t 
medimum common mode. Từ ồ thị 
th y rằng s lần chuy n m ch c a gi i thu t 
 xu ng gi i 
thu t Medimum Common Mode u 
 i thu t gi m s lần chuy n m ch [11]. 
V i tần s 3000Hz ì i 
thu xu t gi c nhi u nh 
15,25% so v i gi i thu t truy n th ng 
Medimum CM song l i nhi n 28% 
so v i gi i thu [11] T ê ù 
gi m chuy n m ch r ê u kho ng th i 
 ê ẽ linh ho i 
gi i thu t gi m s lần chuy n m ch [11]. 
6. KẾT LUẬN 
B 
d gi m s lần chuy n m ch 
ở nhi u kho ng th 
chu kỳ u khi n. S lần chuy n 
m gi i 
thu [11] ã xu ộ linh ho t 
 c t ỳ u khi n 
(do t n d c c 5 ỡ 
gi i thu ng d ng 
v i nhi ê 
 ê Common mode, 
gi ng t n hao do s chuy n m ch 
 â G trị gi m c a s lần chuy n 
m ê c t v i tần s 
3000Hz 15 25% Đ i chi u v T ê 
chuẩn Vi t Nam TCVN-7909 2.2-2008 
T ê ẩn qu c t EN6100-2-2 ì i thu t 
 ng v i tỉ s u ch ≥0 7 
N ù ỉ s ê ầ ê ch 
l c t õ a m ch nghị V i kh 
 ộ u ti t chuy n m ch ở 
nhữ ỡ i 
thu t gi i quy t nhi ê 
 ữa. 
0
1
2
3
4
5
6
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1
u7/u1
% 
m 
G 
EN 61000-2-2
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1
u11/u1
% 
m 
G 
EN 61000-2-2
0
50
100
150
200
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Medimum CM
G [11] 
G 
14 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Bin Wu, High-Power Converters and ac Drives, IEEE Press/Wiley, November 2005, 
ISBN: 0-4717-3171-4. 
[2] Bù T H u, N ê u bộ nguồn 3 pha cầu H gồm 2 m ch NPC ba b ’, LVThS, 
Đ i h S m K thu t TPHCM, 2013. 
[3] B. Wu, Z. Cheng, A Novel Switching Sequence Design for Five-Level HNPC-Bridge 
Inverters With Improved Output Voltage Spectrum and Minimized Device Switching 
Frequency, IEEE Transactions on Power Electron 6 2007, pp. 2138–2145. 
[4] C. A. dos Santos and F. L. M. Antunes, Losses Comparison Among Carrier-Based 
PWM Modulation Strategies in Three-Level Neutral-Point-Clamped Inverter, 
International Conference on Renewable Energies and Power Quality, Spain April-2011. 
[5] Di Zhao, G. Narayanan and Raja Ayyanar, Switching Loss Characteristics of Sequences 
Involving Active State Division in Space Vector Based PWM, IEEE-2004. 
[6] Lê V M G ân bằng điện thế điểm trung tính trong biến tần NP 3 bậc d ng 
ZERO – SEQUENCE VOLTAGE LVT S T Đ H S P T 
TP.HCM, 2013. 
[7] M.H. Bierhoff, F.W. Fuchs, Semiconductor Losses in Voltage Source and Current 
Source IGBT Converters Based on Analytical Derivation. 
[8] Nguy V N Đ V M T ần Qu H Q T H i, Kỹ thuật điều 
chế PWM ba bậc nhằm cân bằng điện áp hai tụ điện một chiều trong nghịch lưu 3 bậc 
NPC, Hội nghị c lần th 6 v n tử - VCM – 2012. 
[9] N.V.Nho, M.J.Youn, A Comprehensive Study On SVPWM – Carrier Based PWM 
Correlation In Multilevel Inverters, IEE Proceedings -Electric Power Applications, 2005. 
[10] Q T H i, Nghiên cứu kỹ thuật điều chế độ rộng xung điều khiển tối ưu nghịch 
lưu đa bậc LATS Đ i h B T HCM 2013 
[11] Q T H i, Trầ T H D T Lê Giải thuật điều chế sóng mang giảm 
số lần chuyển mạch cho nghịch lưu cầu H-NPC 5 bậc, T p G c K 
thu t ISSN 1859 1272, vol 34 December 2015, pp 36-41. 
[12] Võ â N ân bằng điện áp D -Link cho bộ nghịch lưu NP đa bậc LVT S 
T Đ H S P T TP HCM 2012 
[13] Wei Wu, Jianguo Jiang, Guifeng Wang, Shutong Qiao, He Liu, A Multilevel SVPWM 
Algorithm for Linear Modulation and Over Modulation Operation, Sensors & 
Transducers, Vol. 159, Issue 11, November 2013, pp. 198-205. 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết 
TS. Q T H i 
T ng Đ i h S ph m K thu t TP.HCM 
Email: haiqt@hcmute.edu.vn