單相二極管箝位三電平逆變器死區(qū)時間補(bǔ)償技術(shù)

羅 登,林宏健，舒澤亮

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，三相逆變器結(jié)合三相異步電機(jī)的相關(guān)控制問題成為研究熱點(diǎn)。此外，在環(huán)境問題日益突出的今天，光伏發(fā)電作為新能源，具有綠色、低碳環(huán)保的特點(diǎn)而受到青睞，作為將光伏能源接入電網(wǎng)的逆變器也成為研究熱點(diǎn)[1]。在逆變器的研究熱點(diǎn)中，調(diào)制過程中的死區(qū)時間導(dǎo)致的逆變器輸出電壓和電流畸變、諧波含量增加等問題成為眾多研究熱點(diǎn)之一[2]。文獻(xiàn)[3-4]根據(jù)伏秒等效原理提出死區(qū)時間補(bǔ)償策略。文獻(xiàn)[5-7]以電壓空間矢量調(diào)制為基礎(chǔ)提出了死區(qū)時間補(bǔ)償，導(dǎo)致死區(qū)時間補(bǔ)償與調(diào)制方法相關(guān)聯(lián)，補(bǔ)償策略與其他調(diào)制方法不兼容，算法較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[8]提出一種基于功率導(dǎo)通時間實(shí)時檢測的死區(qū)時間補(bǔ)償方法，該方法可以避免電流過零點(diǎn)直接檢測，但是需要額外的硬件電路去檢測功率管的導(dǎo)通時間，增加了逆變器的硬件電路復(fù)雜度，從而增加逆變器故障的概率。

本文從逆變器橋臂輸出電平出發(fā)，提出一種根據(jù)橋臂電流方向選擇延遲驅(qū)動信號上升沿或下降沿的死區(qū)時間補(bǔ)償策略。以單相三電平二極管箝位逆變器為對象，分析死區(qū)時間對橋臂輸出電平的影響，根據(jù)橋臂電流選擇延遲驅(qū)動信號的上升沿或下降沿。該補(bǔ)償策略與逆變器采用的調(diào)制方法獨(dú)立，可以用于不同調(diào)制方法下的死區(qū)時間補(bǔ)償。通過在MATLAB/Simulink仿真平臺上建立單相二極管箝位三電平逆變器仿真模型，對本文提出的死區(qū)時間補(bǔ)償策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。最后，搭建物理實(shí)驗(yàn)平臺，采用可編程邏輯器件設(shè)計該死區(qū)時間補(bǔ)償策略控制核心，對死區(qū)時間補(bǔ)償策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 死區(qū)機(jī)理及其影響分析

單相二極管箝位三電平逆變器拓?fù)鋄9]如圖1所示，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是單個開關(guān)器件承受的最大電壓是H橋結(jié)構(gòu)的一半[10-12]。其中開關(guān)器件S11與S13、S12與S14的通斷狀態(tài)互補(bǔ)，每個開關(guān)器件承受的最大電壓為Ud/2，為了避免直流電壓Ud直接作用到單個開關(guān)器件上，互補(bǔ)開關(guān)器件在通斷狀態(tài)切換之間必須等待一個過渡時間，即死區(qū)時間[13-15]。例如：由S11與S12導(dǎo)通、S13與S14關(guān)斷狀態(tài)向S12與S13導(dǎo)通、S11與S14關(guān)斷狀態(tài)切換時，在S11關(guān)斷后，S13不能立刻導(dǎo)通，需要等待一個死區(qū)時間后S13才能導(dǎo)通。

圖1 單相二極管箝位三電平逆變器拓?fù)銯ig.1 Topology of single-phase diode-clamped three-level inverter

為便于表述，單個橋臂的開關(guān)狀態(tài)定義見表1，表中S11、S12、S13與S14分別為開關(guān)器件S11、S12、S13與S14的開關(guān)狀態(tài)，1表示導(dǎo)通，0表示關(guān)斷。死區(qū)時間定義為Td，橋臂電流is定義由橋臂到負(fù)載為正向。以左橋臂為例分析死區(qū)時間對橋臂輸出電平的影響。

表1 橋臂開關(guān)狀態(tài)定義Table 1 Definition of bridge arm switch condition

死區(qū)時間將導(dǎo)致調(diào)制輸出的電壓波形與期望波形不一致，因此，需要對死區(qū)時間進(jìn)行補(bǔ)償。死區(qū)時間對橋臂輸出電平的具體影響如表2所示。

表2 死區(qū)時間對橋臂電平的影響Table 2 Influence of dead time on bridge arm voltage level

從附錄中圖A1所示的死區(qū)時間電流路徑可知，在每種死區(qū)時間情況下，死區(qū)時間對右橋臂輸出電平的影響與左橋臂一致，需要注意的是：右橋臂的電流方向與左橋臂的電流方向剛好相反。

2 死區(qū)補(bǔ)償策略

由第1節(jié)分析可知，在橋臂電流is為正向時，橋臂開關(guān)狀態(tài)由O到P切換時，橋臂輸出電平Ud/2的持續(xù)時間將減少Td，橋臂開關(guān)狀態(tài)由N到O切換時，橋臂輸出電平-Ud/2持續(xù)時間增加Td，因此需要將開關(guān)器件S11與S12的驅(qū)動信號的下降沿延遲一個死區(qū)時間，S13與S14的驅(qū)動信號分別與S11與S12的驅(qū)動信號互補(bǔ)；在橋臂電流is為負(fù)向時，橋臂開關(guān)狀態(tài)由P到O切換時，橋臂輸出電平Ud/2持續(xù)時間將增加Td，橋臂開關(guān)狀態(tài)由O到N切換時，橋臂輸出電平-Ud/2持續(xù)時間減少Td，因此需要將開關(guān)器件S11與S12的驅(qū)動信號的上升沿延遲一個死區(qū)時間，S13與S14的驅(qū)動信號分別與S11與S12的驅(qū)動信號互補(bǔ)。死區(qū)時間補(bǔ)償如圖2中“補(bǔ)償死區(qū)的調(diào)制信號”所示，根據(jù)表2所示的死區(qū)時間影響，由“未補(bǔ)償死區(qū)+死區(qū)處理的調(diào)制信號”可以得出未進(jìn)行死區(qū)時間補(bǔ)償情況下橋臂的輸出電平，如圖2中“未補(bǔ)償橋臂電平”所示。將“未補(bǔ)償橋臂電平”與“理想橋臂電平”比較可知：在橋臂電流is為正向時，-Ud/2電平變寬，Ud/2電平變窄；在橋臂電流is為負(fù)向時，Ud/2電平變寬，-Ud/2電平變窄。未補(bǔ)償死區(qū)時間的橋臂輸出電平波形發(fā)生畸變，導(dǎo)致變換器端口電壓畸變，負(fù)載電流諧波含量增加。

圖2 死區(qū)時間補(bǔ)償原理Fig.2 Principle of dead time compensation

將“未補(bǔ)償橋臂電平”與“理想橋臂電平”作比較，在is為正向時，橋臂電平由N向O切換，-Ud/2電平持續(xù)時間增加Td，而在is為負(fù)向時，橋臂電平由O向N切換時，-Ud/2電平持續(xù)時間減少Td，如圖2中“未補(bǔ)償橋臂電平”的陰影部分所示。

將“已補(bǔ)償橋臂電平”與“理想橋臂電平”比較可知：“已補(bǔ)償橋臂電平”的每個電平狀態(tài)持續(xù)時間與“理想橋臂電平”持續(xù)時間一致，它們之間唯一的差異就是“已補(bǔ)償橋臂電平”在相位上滯后于“理想橋臂電平”一個死區(qū)時間，如圖2中“已補(bǔ)償橋臂電平”的陰影部分所示。由于死區(qū)時間相較于逆變輸出電壓信號的周期極小，因此由補(bǔ)償死區(qū)時間造成的相位滯后可以忽略不計。

3 仿真驗(yàn)證

在MATLAB/Simulink仿真平臺上建立如圖1所示的單相二極管箝位三電平逆變器拓?fù)涞姆抡婺Ｐ?，死區(qū)時間補(bǔ)償策略對應(yīng)的仿真模型如圖3所示。仿真參數(shù)如下：輸入直流電壓為96 V，逆變輸出電壓有效值為45 V，開關(guān)頻率為10 kHz，死區(qū)時間為2 μs。圖中，uab為逆變器調(diào)制信號；S1、S2與S5、S6分別為左、右橋臂上2個開關(guān)器件的調(diào)制輸出驅(qū)動信號；S1cmp、S2cmp與S5cmp、S6cmp分別為S1、S2與S5、S6經(jīng)過死區(qū)時間補(bǔ)償后的驅(qū)動信號；S11—S24為經(jīng)過死區(qū)補(bǔ)償后的開關(guān)器件驅(qū)動信號。

圖3 死區(qū)時間補(bǔ)償仿真模型Fig.3 Dead time compensation model

死區(qū)時間補(bǔ)償逆變器輸出電壓和電流的仿真結(jié)果見圖4。對比可知：未進(jìn)行死區(qū)時間補(bǔ)償時逆變器輸出電壓、電流正弦度最差，諧波含量最高；進(jìn)行50%死區(qū)時間補(bǔ)償時，逆變器輸出電壓和電流正弦度改善；進(jìn)行100%死區(qū)時間補(bǔ)償時，逆變器輸出電壓和電流正弦度最高，諧波含量較低。仿真結(jié)果說明死區(qū)補(bǔ)償控制策略是有效可行的。圖5為3種死區(qū)時間補(bǔ)償情況下的逆變器輸出電流總諧波畸變率(THD)分析，可知由死區(qū)時間導(dǎo)致的輸出電流諧波主要為奇數(shù)次諧波。

圖4 死區(qū)時間補(bǔ)償仿真結(jié)果Fig.4 Simulative results of dead time compensation

圖5 逆變器輸出電流THDFig.5 Inverter output current THD

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證前述死區(qū)時間補(bǔ)償策略的有效性，根據(jù)圖1所示的單相二極管箝位三電平逆變器拓?fù)浯罱ǜ戒浿袌DA2所示的物理實(shí)驗(yàn)平臺，選用Altera公司第三代FPGA芯片EP3C55F484I7，釆用Verilog硬件電路設(shè)計語言設(shè)計前述死區(qū)時間補(bǔ)償策略控制核心。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：輸入直流電壓為96 V，逆變輸出電壓有效值為45 V，輸出濾波電感為2 mH，負(fù)載為80 Ω，開關(guān)頻率為7 kHz，死區(qū)時間為2 μs。

圖6為逆變器工作時橋臂電平與驅(qū)動信號的波形。圖7、圖8分別為橋臂電平為正、負(fù)時，未補(bǔ)償死區(qū)時間和已補(bǔ)償死區(qū)時間的驅(qū)動信號波形。通過比較“未補(bǔ)償死區(qū)時間”與“已補(bǔ)償死區(qū)時間”的橋臂電平可以看出：死區(qū)時間補(bǔ)償后，橋臂電平變寬，克服了由于死區(qū)時間導(dǎo)致的橋臂電平脈寬變窄的問題。

圖6 逆變器橋臂電平與驅(qū)動信號Fig.6 Inverter arm level and drive signal

圖7 正橋臂電平時的驅(qū)動信號實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms of drive signal when arm level is positive

圖8 負(fù)橋臂電平時的驅(qū)動信號實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms of drive signal when arm level is negative

通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明死區(qū)時間補(bǔ)償?shù)脑砼c效果，結(jié)合Quartus內(nèi)嵌工具SigalTap提取出控制器內(nèi)部的相關(guān)驅(qū)動信號，如附錄中圖A3所示。單個橋臂的4路驅(qū)動信號S11—S14都分別給出了理想驅(qū)動信號、未補(bǔ)償死區(qū)時間的驅(qū)動信號和已補(bǔ)償死區(qū)時間的驅(qū)動信號，并根據(jù)驅(qū)動信號計算出對應(yīng)的理想橋臂電平、未補(bǔ)償死區(qū)時間的橋臂電平和已補(bǔ)償死區(qū)時間的橋臂電平。選取其中一個橋臂電平脈寬進(jìn)行放大分析，如附錄中圖A3左側(cè)所示，可知：未補(bǔ)償橋臂電平的脈寬較理想橋臂電平脈寬變窄一個死區(qū)時間；已補(bǔ)償橋臂電平脈寬與理想橋臂電平脈寬相等，僅滯后一個死區(qū)時間的相位，與理論分析結(jié)果一致。

圖9 死區(qū)時間補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of dead time compensation

逆變器輸出電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9，其中(a)—(c)分別為未對逆變器開關(guān)信號進(jìn)行死區(qū)時間補(bǔ)償、對死區(qū)時間進(jìn)行50%補(bǔ)償、對死區(qū)時間進(jìn)行100%補(bǔ)償時的電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電流THD分別為11.2%、8.7%、3.2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了前述死區(qū)補(bǔ)償控制策略的有效性和可行性。

5 結(jié)論

針對調(diào)制過程中的死區(qū)時間導(dǎo)致逆變器輸出電壓和電流畸變、諧波含量增加的問題，提出一種簡單可行的死區(qū)時間補(bǔ)償策略。該補(bǔ)償策略先根據(jù)橋臂電流方向?qū)φ{(diào)制信號進(jìn)行死區(qū)時間補(bǔ)償，再進(jìn)行死區(qū)時間處理。與傳統(tǒng)死區(qū)時間補(bǔ)償技術(shù)相比，本文提出的死區(qū)補(bǔ)償策略不僅能有效克服死區(qū)時間導(dǎo)致的逆變器輸出電壓、電流畸變問題且簡便易行，與調(diào)制方式獨(dú)立，能靈活應(yīng)用于各種不同調(diào)制方式下，具有較好的靈活性和優(yōu)越的性能。

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