Kỹ thuật điều khiển PWM giảm áp common mode cho nghịch lưu cascade đa bậc

Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015 
Reduced Common-Mode PWM Control For Cascaded Multilevel Inverters 
Kỹ thuật điều khiển PWM giảm áp common mode cho nghịch lưu cascade đa 
bậc 
Nguyễn Vinh Quan, Nguyễn Văn Nhờ, Dương Hoài Nghĩa 
Trường Đại Học Bách Khoa- ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh 
e-mail: vquan63@gmail.com, nvnho@hcmut.edu.vn,dhnghia@hcmut.edu.vn 
Tóm tắt 
Bài báo giới thiệu phương pháp mới về điều khiển 
dựa theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung – PWM 
(Pulse Width Modulation) cho bộ nghịch lưu áp đa 
bậc dựa trên cơ sở hàm offset thêm vào nhằm làm 
giảm điện áp common-mode(common-mode voltage) 
ở ngõ ra. Bắt đầu từ bộ nghịch lưu đa bậc kiểu nối 
tầng kinh điển, sử dụng hai thành phần điện áp là base 
voltage và active voltage để làm giảm điện áp 
common-mode. Một kỹ thuật cho phép sử dụng cả 
sóng mang được bố trí cùng pha – PD-PWM (Phase 
Disposition PWM) và sóng mang được bố trí đảo pha 
– POD-PWM (Phase Opposite Disposition PWM) 
trong bộ nghịch lưu đa bậc với bất kỳ điện áp điều chế 
ban đầu nào. Kỹ thuật PD-POD PWM được sử dụng 
với giải thuật đơn giản, yêu cầu ít bộ nhớ, giảm số lần 
chuyển mạch nên tổn hao do quá trình đóng-ngắt của 
linh kiện cũng giảm theo và với cùng tần số đóng-ngắt 
thì các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra 
thấp. 
Phần mô phỏng và thực nghiệm được áp dụng cho 
bộ nghịch lưu bậc 7 kiểu nối tầng. 
Từ khóa: Điều chế độ rộng xung, bộ nghịch lưu đa 
bậc, điện áp common-mode. 
Abstract 
In this paper, a novel offset-based Pulse Width 
Modulation (PWM) method for cascaded multilevel 
inverters that substantially eliminate common-mode 
voltage on the output phases. The paper begins by 
developing generic multilevel inverter reference 
waveforms that use two components as the base 
voltage and active voltage to achieve reduced 
common-mode voltage. A graphical technique is then 
proposed that allows both carrier Phase Disposition 
PWM (PD-PWM) and Phase Opposite Disposition 
PWM (POD-PWM) of a cascaded inverter for any 
fundamental reference waveform. 
The proposed hybrid PD-POD PWM method is 
advantageous for simple algorithm, without 
requirement of memory for data storing, reduced 
switching loss, low THD (Total Harmonic Distortion) 
factor and gaining maximized voltage range. 
The strategies have been confirmed by both 
simulation and experimental results obtained using a 
cascaded seven-level inverter. 
Keywords: Common-mode voltages, offset-based, 
Pulse Width Modulation (PWM), multilevel inverters. 
1. Phần mở đầu 
Điện áp common-mode được sinh ra do các trạng thái 
đóng-ngắt các khóa trong bộ nghịch lưu (hình H.1): 
0 0 0
'
1,2,3,4,5,6
3
1,
A B C
cm
jx jx
j
V V V
V
S S
 (1) 
Sjx là trạng thái đóng-ngắt khóa, x= a,b,c. Dòng điện 
do điện áp này gây nên sẽ phát sinh ra hiệu ứng điện 
từ làm hư hỏng các bộ phận cơ khí của hệ truyền động 
sử dụng động cơ điện trong các ứng dụng công nghiệp 
[4]. Bài toán giảm điện áp common-mode luôn được 
nhiều nhà khoa học quan tâm từ trước đến nay [1]-[9]. 
Hầu hết các giải pháp được đề cập trước đây tập trung 
ở bộ nghịch lưu bậc thấp [1]-[3],[7],[9]. Bộ nghịch 
lưu đa bậc ngày càng được sử rộng rộng rãi trong 
nhiều ứng dụng do ưu điểm làm tăng công suất ngõ 
ra, điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống và biên 
độ của các sóng hài bậc cao cũng giảm theo. 
Bài báo này giới thiệu phương pháp mới về điều 
khiển dựa dựa trên cơ sở hàm offset thêm vào cùng 
với kỹ thuật kết hợp giữa PD PWM và POD PWM 
nhằm làm giảm điện áp common-mode cho bộ nghịch 
lưu nối tầng bậc 7. Phần mô phỏng và thực nghiệm 
được thể hiện trên MTLAB/SIMULINK cho động cơ 
1-hp, 1410-rpm sử dụng DSP TMS320F28335 với 
giải thuật đơn giản cho phép thiết kế bộ điều khiển 
PD-POD PWM có tần số lấy mẫu lên đến 100 kHz. 
H. 1 Bộ nghịch lưu kiểu nối tầng bậc 7 
Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015 
2. Nội dung chính 
2.1 Mô hình áp trung bình với hàm offset 
Hình H.2 là mô hình điện áp trung bình với hàm 
offset thêm vào ξo . Điện áp VX0 được định nghĩa: 
VX0 = υxn , X = A,B,C và x = a,b,c (2) 
0 ≤ υxn ≤ (n-1), n là số bậc của bộ nghịch lưu 
H. 2 Mô hình áp trung bình với hàm offset cho bộ nghịch 
 lưu kiểu nối tầng bậc 7 
Gọi Vx là điện áp điều chế ba pha ban đầu: 
1 1
2 3 2 3
n n
Vx
 cos
2
cos
3
2
cos
3
a ref
b ref
c ref
t
t
t
V V
V V
V V



 (3) 
Điện áp υxn được cho bởi: 
1
1 , 1, , ,
2
1
0 , 0
2
1
, oài
2
xn
n
n khi V n x a b cx
n
khi Vx
n
V ng rax
v
 (4) 
Hai thành phần của điện áp υxn là ξx (active voltage) 
và Lx (base voltage), trong đó: 
 0 ≤ ξx ≤ 1 
( ) , 1, , ,
1 , 1
rem v khi v n x a b cxn xn
khi v nxn
x
 (5) 
 0 ≤ Lx ≤ n - 2 
( ) , 1, , ,
2 , 1
fix v khi v n x a b cxn xn
n khi v nxn
Lx
 (6) 
Với rem là phần dư sau khi chia và fix là phần nguyên 
của tín hiệu υxn. 
Hàm offser ξo được đề nghị cộng thêm vào nhằm tạo 
ra điện áp điều chế mới và được định nghĩa như sau: 
 
  
 
khác0
1
2
)1n(3
Fkhi
2
2
)1n(3
Fkhi1
Lmin
Lmax
0
 (7) 
),,min(
),,max(
cbamin
cbamax
 
  (8) 
 L a cbF L L L (9) 
Hình H.3 là mô hình rút gọn, ta có điện áp điều chế 
sau cùng: 
, , , ,x ov x a b cx   (10) 
và các trạng thái đóng-ngắt khóa: 
'
1, 2,3, 4,5, 6,jx x x jS v L (11) 
H. 3 Mô hình rút gọn với điện áp Lx 
2.2 Kỹ thuật PD-POD PWM 
Xét cho bộ nghịch lưu 7 bậc (n = 7) và 0 ≤ m ≤ 1.023, 
thì FL đạt 4 giá trị: 6, 7, 8, 9 
H. 4 Giản đồ thời gian PD-PWM: a) FL= 8, ξo=- ξmin 
b) FL= 9, ξo=0, c) FL= 7, ξo=1- ξmax và d) FL= 6, ξo=0 
Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015 
H. 5 Giản đồ thời gian POD-PWM: a) FL= 8, ξo=- ξmin 
b) FL= 9, ξo=0, c) FL= 7, ξo=1- ξmax và d) FL= 6, ξo=0 
Hình H.4, trình bày giản đồ thời gian điều chế độ rộng 
xung cho bộ nghịch lưu 7 bậc dựa trên cơ sở hàm 
offset thêm vào nhằm làm giảm điện áp common-
mode ở ngõ ra, với sóng mang được bố trí cùng pha. 
a- khi FL = 8, ξo = - ξmin, c- khi FL = 7, ξo = 1- ξmax, 
trường hợp b, d- khi FL= 9 và 6, hàm ξo= 0. 
Tương tự cho hình H.5, với sóng mang được bố trí 
đảo pha, hàm ξo cũng không tồn tại khi FL= 6 và 9. 
Một đề nghị kết hợp cả hai sóng mang được bố trí 
cùng pha và đảo pha (PD-POD PWM) để điều chế. 
Chế độ POD PWM được thực hiện khi FL = 6 và điện 
áp điều chế sau cùng υx
’ 
= ξmin, hoặc khi FL = 9 và điện 
υx
’ 
= ξmax . Ngoài ra thực hiện chế độ PD PWM. 
Tổng quát, được trình bày bởi phương trình (12): 
'
'
min
max
3 1
3 à
2
3 1
à
2
, oài
L
L
x
x
n
F v
POD
n
F v
PD ng ra
v
v


 (12) 
Cuối cùng, hình H.6 trình bày sơ đồ khối toàn bộ giải 
thuật PD-POD PWM nhằm làm giảm điện áp 
common mode cho bộ nghịch lưu bậc 7. 
H. 6 Sơ đồ giải thuật PD-POD PWM để giảm điện áp 
 common mode cho bộ nghịch lưu bậc 7.
+ Khối (1), điện áp υxn được giới hạn từ điện áp điều 
chế ban đầu Vx, cho bởi phương trình (3,4). 
+ Khối (2), xác định hai thành phần active voltage và 
base voltage, cho bởi phương trình (5,6). 
+ Khối (3), xác định hàm tổng FL được cho bởi 
phương trình (7). 
+ Khối (4) là hàm tổng offset thêm vào ξo được cho 
bởi phương trình (8). 
+ Khối (5), chọn sóng mang PD PWM/ POD PWM 
được cho bởi phương trình (12). 
2.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 
Bảng 1. Các tham số động cơ 
Công suất 1 HP, 50 Hz 
Điện áp 220/380 (V) 
Vận tốc 1410 (rpm) 
Bảng 2. Các tham số SIMULINK 
Tham số Giá trị 
Start time 0.0 (s) 
Stop time 10.0 (s) 
Solver type Fixed-step 
Solver Discrete 
Fixed-step size 2e-5 (s) 
Tasking mode Singletasking 
Phần mô phỏng và thực nghiệm cho bộ nghịch lưu 
kiểu nối tầng 7 bậc, sử dụng Matlab/ Simulink, tải là 
động cơ được cho trong bảng 1 và bảng 2. Nguồn điện 
áp DC sau khi chỉnh lưu là 80 Vdc, các xung kích 
PWM được điều khiển bởi card TMS320F28335 có 
dead-time 2.5µs, tần số sóng mang 5kHz, và tần số 
điện áp ra 50Hz. 
H. 7 Mô phỏng với m=0.4: a) Điện áp dây, b) Điện áp 
pha, và c) Điện áp common mode 
H. 8 Mô phỏng phổ hài của điện áp dây với m=0.4 
Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015 
H. 9 Mô phỏng với m=0.86: a) Điện áp dây, b) Điện áp 
pha, và c) Điện áp common mode 
H. 10 Mô phỏng phổ hài của điện áp dây với m=0.86 
Hình H.7 và hình H.8 là kết quả mô phỏng cho kỹ 
thuật PD-POD PWM tại m = 0.4 cho các dạng sóng 
ngõ ra và phổ hài của điện áp dây, điện áp common 
mode được cố định trong khoảng ± 29 V. 
Hình H.9, H.10 là kết quả mô phỏng với m = 0.86, và 
hình H.11, H,12 là kết quả mô phỏng với m = 1.023, 
điện áp common mode vẫn được giữ khoảng ± 29 V. 
H. 11 Mô phỏng với m=1.023: a) Điện áp dây, b) Điện áp 
pha, và c) Điện áp common mode 
H. 12 Mô phỏng phổ hài của điện áp dây với m=1.023 
H. 13 Dạng sóng thực nghiệm của điện áp dây (m = 0.4) 
H. 14 Dạng sóng thực nghiệm điện áp common-mode và 
phổ hài của điện áp dây (m = 0.4) 
Hình H.13 và hình H.14 là kết quả thực nghiệm của 
điện áp dây, điện áp common mode và phổ hài ứng 
với m = 0.4. 
Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015 
H. 15 Dạng sóng thực nghiệm của điện áp dây (m = 0.86) 
H. 16 Dạng sóng thực nghiệm điện áp common-mode và 
phổ hài của điện áp dây (m = 0.86) 
Hình H.15 và hình H.16 là kết quả thực nghiệm của 
điện áp dây, điện áp common mode và phổ hài ứng 
với m = 0.86. 
Hình H.17 và hình H.18 là kết quả thực nghiệm của 
điện áp dây, điện áp common mode và phổ hài ứng 
với m = 1.023. 
H. 17 Dạng sóng thực nghiệm của điện áp dây (m=1.023) 
H. 18 Dạng sóng thực nghiệm của điện áp common mode 
và phổ hài áp dây (m=1.023) 
3. Kết luận 
H. 19 Mô hình thực nghiệm với DSP TMS320F28335 
Bài báo trình bày giảm điện áp common mode cho bộ 
nghịch lưu bậc 7, dùng kỹ thuật điều chế sóng mang 
với hàm offset được thêm vào. Phân tích hai thành 
phần active voltage và base voltage, cùng với hàm 
tổng để từ đó làm cơ sở chọn lựa chế độ PD PWM 
hay POD PWM cho giải thuật kết hợp PD-POD 
PWM. Phần mô phỏng và thực nghiệm trên 
MATLAB/SIMULINK 2010, sử dụng DSP 
TMS320F28335 với tần số sóng mang 5kHz và thời 
gian lấy mẫu 20µs (hình H.15). 
Tài liệu tham khảo 
[1] Hee-Jung Kim, Hyeoun-Dong Lee, and Seung-
Ki Sul, A New PWM Strategy for Common-
Mode Voltage Reduction in Neutral-Point-
Clamped Inverter-Fed AC Motor Drives,IEEE 
Transactions on Industry Applications, Vol. 37, 
No. 6, November/ December, 2001. 
[2] Amit Kumar Gupta, and Ashwin M. 
Khambadkone, A Space Vector Modulation 
Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015 
Scheme to Reduce Common Mode Voltage for 
Cascaded Multilevel Inverters, IEEE 
Transactions on Power Electronics, Vol. 22, No. 
5, September 2007. 
[3] Haoran Zhang, Annette von Jouanne, Shaoan 
Dai, Alan K. Wallace, and Fei Wang, Multilevel 
Inverter Modulation Schemes to Eliminate 
Common-Mode Voltages, IEEE Transactions on 
Industry Applications, Vol. 36, No. 6, 
November/ December, 2000. 
[4] Poh Chiang Loh, Donald Grahame 
Holmes,Yusuke Fukuta, and Thomas A. Lipo, 
[5] Reduced Common-Mode Modulation Strategies 
for Cascaded Multilevel Inverters, IEEE 
Transactions on Industry Applications, Vol. 39, 
No. 5, September/ October, 2003. 
[6] José Rodríguez, Jorge Pontt, Pablo Correa, 
Patricio Cortés, and César Silva, A New 
Modulation Method to Reduce Common-Mode 
Voltages in Multilevel Inverters, IEEE 
Transactions on Industrial Electronics, Vol. 51, 
No. 4, August 2004. 
[7] Poh Chiang Loh, Donald Grahame Holmes, 
Yusuke Fukuta, and Thomas A. Lipo, A 
Reduced Common Mode Hysteresis Current 
Regulation Strategy for Multilevel Inverters, 
IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 
19, No. 1, January 2004. 
[8] Ahmet M. Hava, and Emre U¨ n, Performance 
Analysis of Reduced Common-Mode Voltage 
PWM Methods and Comparison With Standard 
PWM Methods for Three-Phase Voltage-Source 
Inverters, IEEE Transactions on Power 
Electronics, Vol. 24, No. 1, January 2009. 
[9] Ville Naumanen, Juhamatti Korhonen, Julius 
Luukko, and Pertti Silventoinen, Multilevel 
Inverter Modulation Method to Reduce 
Common-mode Voltage and Overvoltage at the 
Motor Terminals, 2010 IEEE 26-th Convention 
of Electrical and Electronics Engineers in Israel. 
[10] Lizhong Long, Yonggao Zhang and Guangjian 
Kuang, A Modified Space Vector Modulation 
Scheme to Reduce Common-mode Voltage for 
Cascaded NPC/H-bridge Inverter, 2012 IEEE 
7th International Power Electronics and Motion 
Control Conference. 
Nguyễn Vinh Quan sinh năm 
1963. Nhận bằng thạc sỹ về Tự 
Động Hóa của trường Đại học 
Bách Khoa Tp.HCM năm 
2009. Từ năm 2011 đến nay là 
Nghiên Cứu Sinh thuộc Khoa 
Điện – Điện Tử trường Đại 
học Bách Khoa Tp.HCM . 
Hiện là giảng viên Bộ môn 
Điện Công Nghiệp Trường 
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật 
Tp.HCM. Hướng nghiên cứu chính là thiết kế mạch 
và thực hiện các hệ thống điều khiển, điện tử công 
suất, biến tần, giải thuật lập trình và hệ thống nhúng 
trong hệ thống mạng công nghiệp. 
Nguyễn Văn Nhờ sinh năm 
1964. Ông nhận bằng thạc sĩ và 
tiến sĩ Điện-Điện tử ở Đại học 
Tây Bohemia, Cộng hòa Séc vào 
năm 1988 and 1991. Từ năm 
1992, ông làm việc tại khoa 
Điện-Điện Tử, Đại học Bách 
Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 
nơi ông hiện giờ là Phó giáo sư. 
Ông làm nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại KAIST trong 
sáu tháng của năm 2001 và là giáo sư thỉnh giảng 
trong một năm 2003-2004. Lĩnh vực nghiên cứu của 
ông là mô phỏng và điều khiển động cơ, bộ lọc tích 
cực, kỹ thuật PWM. 
Duong Hoai Nghia sinh năm 
1957. Ông nhận bằng thạc sĩ và 
tiến sĩ lần lượt vào các năm 1989 
và 1993 ngành kỹ thuật điện tại 
the Institut National 
Polytechnique de Grenoble, Cộng 
hòa Pháp. 
Từ năm 1981, ông là cán bộ giảng dạy tại khoa điện- 
điện tử, trường Đại học Bách Khoa TP.HCM. Hiện 
nay, ông là phó giáo sư. Lãnh vực ông quan tâm bao 
gồm lý thuyết điều khiển tự động, điều khiển trong 
ngành năng lượng. 
View publication stats