五電平逆變器死區(qū)補(bǔ)償研究

曹舒春

（淮南礦業(yè)集團(tuán)公司潘三礦企管科，安徽 淮南 232000）

0 引言

由功率器件的開關(guān)特性可知，功率開關(guān)管存在開通及關(guān)斷延時(shí)。三相電壓源型逆變器，為了避免由于器件特性可能引起的橋臂直通現(xiàn)象[1]，需要在逆變器橋臂觸發(fā)信號(hào)中設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)能夠保障開關(guān)器件的安全運(yùn)行，但會(huì)致使理想的觸發(fā)脈沖與實(shí)際輸出脈沖之間存在一定的偏差，從而引起了逆變器的“死區(qū)效應(yīng)”。死區(qū)導(dǎo)致逆變器輸出電壓產(chǎn)生偏差，電流波形嚴(yán)重畸變。在高壓大功率場(chǎng)合，由于IGBT，IGCT 開關(guān)延時(shí)相對(duì)低壓開關(guān)器件較長(zhǎng)，需要設(shè)置更長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間，死區(qū)效應(yīng)對(duì)逆變器的輸出影響更加嚴(yán)重。

為了消除補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)帶來的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多死區(qū)補(bǔ)償方法研究。這些方法一般分為兩類：一類是基于平均誤差電壓的補(bǔ)償方法，另一類是基于觸發(fā)脈沖本身的死區(qū)補(bǔ)償方法。第一類補(bǔ)償方法容易實(shí)現(xiàn)，但是逆變器實(shí)際輸出與理想輸出存在一定的相位差，補(bǔ)償不夠精確，隨后有學(xué)者提出了電壓的補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)方法，在補(bǔ)償策略中把功率器件以及續(xù)流二極管的壓降納入考慮范圍；第二類方法可以做到對(duì)死區(qū)效應(yīng)的精確補(bǔ)償，但對(duì)控制器提出了很高要求，控制器在一個(gè)PWM 周期內(nèi)需要實(shí)現(xiàn)兩次采樣[2]。此外，死區(qū)補(bǔ)償中各相電流極性的鑒別十分重要，出現(xiàn)零電流鉗位現(xiàn)象時(shí)造成電流方向判斷不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致誤補(bǔ)償，因此需要采用一定的方法對(duì)其進(jìn)行處理。本文采用了一種基于脈沖自身的死區(qū)補(bǔ)償策略，能夠達(dá)到精確補(bǔ)償?shù)男Ч?，且與傳統(tǒng)方法相比不需要在控制器中設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間。

1 五電平的死區(qū)設(shè)置及死區(qū)效應(yīng)

圖1 單相二極管箝位式五電平逆變器拓?fù)?/p>

如圖1 所示是單相二極管箝位式五電平逆變器主電路。五電平逆變器每相橋臂有五種開關(guān)狀態(tài)P2[1 1 1 1 0 0 0 0]，P1[0 1 1 1 1 0 0 0]，O[0 0 1 1 1 1 0 0]，N1[0 0 0 1 1 1 1 0]，N2[0 0 0 0 1 1 1 1]。逆變器各橋臂開關(guān)狀態(tài)按照上述五種狀態(tài)依次過渡，不存在跳躍式過渡，如P2直接過渡到O。以A 相為例，考慮開關(guān)特性，加入D1、D2、D3、D4四種死區(qū)狀態(tài)，結(jié)合圖1 分析五電平逆變器加入死區(qū)后具體過渡過程如下：

P2→P1過渡，先斷Sa1，后開通Sa5；P1→P2過渡，先斷Sa5，后開通Sa1；P1→O 過渡，先斷Sa2，后開通Sa6；O→P1過渡，先斷Sa6，后開通Sa2；O→N1過渡，先斷Sa3，后開通Sa7；N1→O 過渡，先斷Sa7，后開通Sa3；N1→N2過渡，先斷Sa4，后開通Sa8；N2→N1過渡，先斷Sa8，后開通Sa4；根據(jù)上述規(guī)律，總結(jié)加入死區(qū)狀態(tài)后開關(guān)狀態(tài)與逆變橋電流方向關(guān)系如表1 所示。

表1 加入死區(qū)時(shí)逆變橋電流方向與開關(guān)狀態(tài)關(guān)系表

以A 相死區(qū)狀態(tài)D1為例，圖2 示出了死區(qū)狀態(tài)對(duì)逆變器輸出的影響，規(guī)定電流流出逆變橋的方向?yàn)檎较?，流入為?fù)方向。

圖2 死區(qū)狀態(tài)D1對(duì)A 相工作過程的影響

圖2 中，(a)為A 相上橋臂Sa1與下橋臂Sa5兩個(gè)開關(guān)管的理想觸發(fā)信號(hào)；(b)為加入死區(qū)時(shí)兩個(gè)開關(guān)管觸發(fā)信號(hào)；(c)為未設(shè)置死區(qū)時(shí)的理想輸出電壓uan；(d)為ia＞0 時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan1；(e)為ia＜0 時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan2。從圖中可以看出，加入死區(qū)后A 相電壓產(chǎn)生偏差，當(dāng)電流大于零時(shí)缺失了一個(gè)寬度為td（死區(qū)時(shí)間）的電壓脈沖，當(dāng)電流小于零時(shí)增加了一個(gè)寬度為td的電壓脈沖。同理，其他三個(gè)死區(qū)狀態(tài)也會(huì)帶來類似的影響，這里就不再予以分析。若開關(guān)頻率不變，死區(qū)時(shí)間設(shè)置的越大，電壓偏差也越大，“死區(qū)效應(yīng)”也更為嚴(yán)重。

2 基于脈沖的死區(qū)補(bǔ)償原理

對(duì)圖1 分析可知，當(dāng)ia＞0 時(shí)，若開關(guān)管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，輸出狀態(tài)為P2；若Sa1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，Sa2、Sa3、Sa4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，Da1續(xù)流，輸出狀態(tài)為P1，此時(shí)即使Sa5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，也不會(huì)導(dǎo)通。由此可見，在ia＞0 時(shí)，輸出狀態(tài)P2僅由Sa1決定。同理可得，在ia＜0 時(shí)，輸出狀態(tài)P2僅由Sa5決定，輸出其他電平時(shí)與此類似。

前文已經(jīng)討論了死區(qū)補(bǔ)償?shù)幕痉椒?，本文采用基于脈沖本身的死區(qū)補(bǔ)償方法。仍以A 相的死區(qū)狀態(tài)D1為例對(duì)本文所提的死區(qū)補(bǔ)償方法進(jìn)行分析。基于前文分析，可得輸出電平在P2、P1間切換時(shí)的死區(qū)補(bǔ)償原理如圖2 所示。圖2(a)為未設(shè)置死區(qū)時(shí)Sa1、Sa5的理想驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)設(shè)置死區(qū)后應(yīng)根據(jù)橋臂電流的方向?qū)λ绤^(qū)予以補(bǔ)償，若ia＞0 時(shí)，保持開關(guān)管Sa1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變，Sa5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)提前td關(guān)斷并延遲td開通，如圖3(b)所示；若ia＜0 時(shí)，Sa5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變，上橋臂開關(guān)管Sa5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲td開通并提前td關(guān)斷，如圖3(c)所示。圖3 中的(d)為理想狀態(tài)下的輸出電壓uan；(e)為經(jīng)過本文死區(qū)補(bǔ)償后的實(shí)際輸出電壓uan1。不難看出，uan和uan1波形一致，從而消除了“死區(qū)效應(yīng)”引起的偏差。其他相以及其他輸出狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換的死區(qū)補(bǔ)償原理與A 相D1狀態(tài)類似。

圖3 基于脈沖的死區(qū)補(bǔ)償原理

3 電流極性鑒別及零電流鉗位處理

前文的死區(qū)補(bǔ)償原理建立在正確判斷逆變器橋臂電流方向，然后根據(jù)電流方向及死區(qū)狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償。因此，正確鑒別電流方向十分重要，否則會(huì)造成死區(qū)的誤補(bǔ)償，致使輸出電壓偏差更大。本文采用一種間接的方法判斷相電流的方向[3]。將三相負(fù)載電流ia、ib和ic通過Clark和Park 變換到d-q 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，由于轉(zhuǎn)矩電流id和勵(lì)磁電流iq分別為直流分量，因此，很容易運(yùn)用低通濾波器將高次諧波和噪音過濾掉。根據(jù)矢量角θi可將α-β 靜止坐標(biāo)系分成六個(gè)扇區(qū)，如圖4 所示。

圖4 α-β 坐標(biāo)系下矢量角與電流方向的關(guān)系

具體的矢量角與電流的方向如表2 所示。

表2 電流矢量角與電流的方向關(guān)系

通過判斷將三相電流合成電流矢量的d-q 坐標(biāo)系中的矢量角，然后再經(jīng)過查表就可以鑒別出三相電流的極性，從而進(jìn)行相應(yīng)的死區(qū)補(bǔ)償。

零電流鉗位現(xiàn)象及處理方案：

因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間td設(shè)置較短，單個(gè)死區(qū)時(shí)間內(nèi)的零電流鉗位不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，然而在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流通過二極管續(xù)流具有減少的趨勢(shì)，若電流減小至0，低頻輸出時(shí)非常明顯，在下一個(gè)死區(qū)帶來后二極管反向阻斷，電流被鉗位到0，這種現(xiàn)象稱為零電流鉗位現(xiàn)象。

由前文可知電流極性的鑒別在死區(qū)補(bǔ)償中十分重要，鑒別錯(cuò)誤會(huì)使死區(qū)補(bǔ)償過程中的觸發(fā)脈沖調(diào)整錯(cuò)誤，進(jìn)一步使逆變器輸出電壓惡化。因此，準(zhǔn)確判斷零電流鉗位現(xiàn)象，并采取一定的處理方案使系統(tǒng)快速通過零電流區(qū)域?qū)⒆兊檬株P(guān)鍵。一般可采用反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)法，預(yù)測(cè)電流控制法。為了不考慮增加硬件成本，本文在文獻(xiàn)[4]所提的一種針對(duì)電壓補(bǔ)償法的零電流鉗位處理方法的基礎(chǔ)上予以改進(jìn)，采用電流坐標(biāo)變換的方法，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出零電流鉗位時(shí)刻，并改變電流極性的判斷結(jié)果，使死區(qū)得到準(zhǔn)確的補(bǔ)償。

本文先取各相電流大小相應(yīng)的符號(hào)函數(shù)值，方向不變，然后將其由a-b-c 坐標(biāo)系下變換到新的坐標(biāo)系dI-qI下，如圖5 所示。

圖5 中，α-β 為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；d-q 為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；θ 為矢量控制中的定向角；dI-qI為新的電流坐標(biāo)系，θI為電流矢量與α 軸的夾角。

把a(bǔ)-b-c 坐標(biāo)系下的電流取符號(hào)函數(shù)并變換到dI-qI坐標(biāo)系下：

其中：

仿真結(jié)果如圖5 所示，將三相電流取符號(hào)函數(shù)并變換到的dI-qI坐標(biāo)系中，則在dI軸的分量id*為三倍基頻的鋸齒波（峰值為±0.816），而在qI軸的分量iq*為三倍基頻的脈動(dòng)直流量?？梢酝ㄟ^比較id*與其峰值大小來判斷是否出現(xiàn)零電流鉗位，若有零電流鉗位出現(xiàn)，需要對(duì)電流極性進(jìn)行相應(yīng)的修正。

零電流鉗位現(xiàn)象處理步驟：

（1）取a-b-c 三相電流的符號(hào)函數(shù)得到sgn(ia)、sgn(ib)、sgn(ic)，通過坐標(biāo)變換到dI-qI坐標(biāo)系中；

（2）將dI軸分id*與理論幅值比較，若超出理論值范圍則出現(xiàn)零電流鉗位，否則沒有零電流鉗位；

4 死區(qū)補(bǔ)償仿真研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真參數(shù)：Vdc＝200V，直流側(cè)電容為C＝2200μF，系統(tǒng)頻率為5kHz，輸出頻率f＝50Hz，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為5μs。

圖6 三相電流及dI-qI軸分量波形

根據(jù)前面五電平死區(qū)補(bǔ)償及零電流鉗位處理的理論分析，結(jié)合二極管鉗位型五電平逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)相同。

圖7 死區(qū)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)波形

圖7 為死區(qū)補(bǔ)償前后的A 相電流波形。圖7(a)為加入死區(qū)不補(bǔ)償時(shí)的相電流，圖7(b)為采用本文死區(qū)補(bǔ)償方法后的相電流波形。由實(shí)驗(yàn)波形可知，通過本文所提方法進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償后，相電流畸變率降低，正弦度得到很大的改善，零電流鉗位效應(yīng)得到抑制，驗(yàn)證了本文補(bǔ)償方法的正確性。

5 結(jié)論

本文分析了五電平逆變器“死區(qū)效應(yīng)”，采用一種基于脈沖本身的死區(qū)補(bǔ)償方法對(duì)死區(qū)設(shè)置后帶來的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。采用了電流矢量的空間位置分布對(duì)各相電流極性進(jìn)行鑒別，同時(shí)采用了一種改進(jìn)型的零電流鉗位處理方法，該方法可以檢測(cè)零電流鉗位現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)刻，并修正電流的判斷極性，使死區(qū)效應(yīng)得到準(zhǔn)確的補(bǔ)償。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法的可行性。

［1］魏學(xué)森，嚴(yán)長(zhǎng)輝，馬小亮，等.基于FPGA 的三電平逆變器死區(qū)補(bǔ)償方法研究[J].電力電子技術(shù)，2005，39(5)：24-27.

［2］王高林，于泳，楊榮峰，等.感應(yīng)電機(jī)空間矢量PWM 控制逆變器死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(15)：79-83.