T型三電平逆變器的死區(qū)補償策略研究

陳 玲，紀 萍，吳靜妹

T型三電平逆變器的死區(qū)補償策略研究

陳 玲，紀 萍，吳靜妹

（皖江工學(xué)院 電氣信息工程系，安徽 馬鞍山 243031）

對T型三電平逆變器的控制方法進行了分析，通過引入的死區(qū)補償?shù)姆椒▽⒃到y(tǒng)出現(xiàn)的輸出電壓4種畸變變成2種，最終實現(xiàn)了補償。實驗證明，該方法有效地補償了輸出電壓的畸變。

三電平逆變器；控制策略；死區(qū)效應(yīng)

近年來，在NPC拓撲的基礎(chǔ)上發(fā)展提出的T型三電平拓撲，由于損耗減少，成本更低，越來越受關(guān)注。多電平逆變器的輸出電壓波形階梯數(shù)增多，波形的質(zhì)量更高[1]，但由于拓撲中增加了一個雙向的開關(guān)器件，導(dǎo)致在不同的開關(guān)狀態(tài)下切換時，會出現(xiàn)直流母線短路的情況，從而進一步損壞開關(guān)器件。因此，在每次開關(guān)切換時，通過加入一定的補償時間，來改變開關(guān)器件的實際導(dǎo)通過程，去除死區(qū)效應(yīng)[2]。本文分析了三電平T型逆變器的工作原理，并通過加入的死區(qū)時間進行補償，實現(xiàn)了較好的輸出。

1 T型三電平逆變器死區(qū)原理

如圖1拓撲結(jié)構(gòu)所示，三相橋臂中每相各包含4個功率開關(guān)器件，形成T型結(jié)構(gòu)，且每個功率開關(guān)器件并聯(lián)一個二極管，因此稱為T型三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)[3]。

圖1 T型三電平逆變器拓撲

當逆變器工作時，開關(guān)器件的開通或者關(guān)斷狀態(tài)應(yīng)嚴格互補。但由于功率開關(guān)器件不是理想的器件，在實際工作過程中，開通或關(guān)斷都會有一定的延時。因此，如果將原本嚴格互補的驅(qū)動信號加到實際的開關(guān)器件上后，則會導(dǎo)致開關(guān)器件原本應(yīng)關(guān)斷而未關(guān)斷，而另一開關(guān)器件已開通，最終整個回路直通，發(fā)生短路現(xiàn)象，進一步開關(guān)管損壞[4]。若在實際工作中，能對驅(qū)動信號加入一個死區(qū)的時間，則能避免上述短路狀態(tài)，確保系統(tǒng)正常工作。

在T型三電平拓撲中，存在著2種需要加入死區(qū)可能短路情況，以A相為例，如圖2所示。

圖2 短路情況

當P-O狀態(tài)切換時，S1與S4為互補狀態(tài)，但可能會使C1回路短路。

當O-N狀態(tài)切換時，S2與S3為互補狀態(tài)，但可能會使C2回路短路。

如圖3所示，當S1與S4發(fā)生直通時，即發(fā)生P-N狀態(tài)切換時，會導(dǎo)致C1、C2串聯(lián)回路短路，這種電平切換情況由于在控制策略中已經(jīng)避免，所以無需考慮死區(qū)時間，為防止開關(guān)管意外觸發(fā)動作，仍需在保護電路中予以保護，防止發(fā)生短路。

圖3 直通情況

常用的加入死區(qū)時間的方法是“延時導(dǎo)通，按時關(guān)斷”，即控制功率開關(guān)管延時一個死區(qū)時間導(dǎo)通[5]。如圖4所示，原有的驅(qū)動信號嚴格互補，在此期間加入一死區(qū)時間，此時間應(yīng)由功率器件的開關(guān)時間決定。IGBT的死區(qū)時間一般設(shè)置在2～10 μs。由圖4可見，當系統(tǒng)加入一個死區(qū)時間，開關(guān)器件的驅(qū)動波形下降沿不變，但上升沿延遲了一個死區(qū)時間，以保證開關(guān)器件有足夠的時間關(guān)斷。若按此方法，加入的死區(qū)時間即會改變驅(qū)動信號的脈寬，則必然會進一步改變系統(tǒng)的輸出。

圖4 死區(qū)示意圖

2 死區(qū)效應(yīng)影響

當電路工作于死區(qū)狀態(tài)，原開關(guān)器件都關(guān)斷，電路為續(xù)流二極管續(xù)流的工作狀態(tài)，輸出的電壓幅值也隨導(dǎo)通路徑的不同而不同。下面以A相為例來說明。

如圖2中，電路處于P-O的狀態(tài)切換時，會出現(xiàn)2個死區(qū)：①S1開通，S3、S4關(guān)斷；②S1關(guān)斷，S3、S4開通。在死區(qū)期間，S1、S2、S3均不導(dǎo)通，若a>0，二極管D2進入續(xù)流狀態(tài)，因此導(dǎo)通，此刻橋臂的輸出為低電平狀態(tài)N；若a<0，，二極管D1進入續(xù)流狀態(tài)，因此導(dǎo)通，此刻橋臂的輸出為高電平狀態(tài)P。同理，電路處于O-N的狀態(tài)切換時，若a>0，橋臂輸出低電平N；若a<0，橋臂輸出高電平P。因此，在系統(tǒng)工作與死區(qū)狀態(tài)，輸出電壓僅由負載輸出電流的極性而定。

如圖5所示，系統(tǒng)工作時P-O切換和O-P切換時，A相的實際輸出波形。可見，在考慮死區(qū)情況后，系統(tǒng)的輸出相電壓會出現(xiàn)4種情況的畸變。因此，要對其進行補償。

3 死區(qū)補償方法

如圖2所示，當系統(tǒng)工作考慮死區(qū)情況后，在P-O狀態(tài)切換時，上半橋臂會形成短路；同理，在O-N狀態(tài)切換時，下半橋臂也會形成短路。由上一節(jié)控制策略可知，對于上半橋臂，在a>0時，若使開關(guān)管S4一直保持關(guān)斷，則不會出現(xiàn)短路情況，而對應(yīng)的a>0的死區(qū)情況也不會出現(xiàn)。同理，對于下半橋臂，在a<0時，若使開關(guān)管S3一直保持關(guān)斷，則也不會出現(xiàn)短路情況，而對應(yīng)a<0的死區(qū)情況也不會出現(xiàn)。

由上述分析可知，只需對2個開關(guān)過程：a>0的O-N狀態(tài)切換和a<0的P-O狀態(tài)切換過程，加入一死區(qū)時間補償即可。通過這種補償，使得原本復(fù)雜的死區(qū)效應(yīng)得到了簡化，完成了補償。

如圖5(a)所示，當系統(tǒng)工作考慮死區(qū)情況后，實際輸出比理想輸出，電壓多了一段高電平，時間為d。但若系統(tǒng)引入補償后，則改變了開關(guān)器件實際的導(dǎo)通時間，改善輸出。

如圖6所示，在開關(guān)器件S1的導(dǎo)通時間在理想導(dǎo)通時間上縮短了d，則開關(guān)器件S3的開通時間就會延長d，最終使得電壓輸出實際值接近參考值，僅實際的輸出波形在相位上滯后了時間d[6]。

圖6 補償示意圖

4 實驗驗證

通過對T型三電平逆變器系統(tǒng)的研究分析，進一步進行了仿真，并搭建逆變器系統(tǒng)的實驗平臺，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。逆變器工作的直流電源采用功率直流穩(wěn)壓電源，直流側(cè)電壓為30 V；直流側(cè)分壓電容選用3 300 μF/100 V的電解電容；逆變橋功率開關(guān)器件選擇IRFP250N型MOSFET，額定電流為30 A，額定電壓為200 V?？紤]功率器件工作時會產(chǎn)生大量熱量，實驗中，將MOSFET固定在鋁合金散熱器表面，以滿足元器件的散熱要求。軟件部分采用dsPIC和FPGA芯片相結(jié)合的方式，由dsPIC通過控制程序產(chǎn)生6路邏輯控制信號，經(jīng)過FPGA譯碼，同時進行死區(qū)處理后，最終輸出12路PWM信號，控制驅(qū)動逆變橋。

在實驗過程中，設(shè)置的死區(qū)時間為2 μs。如圖7可見，加入死區(qū)后，2個開關(guān)器件的開通關(guān)斷信號存在2 μs的時間差，可避免直通現(xiàn)象。

圖7 死區(qū)波形

驅(qū)動電路部分采用TLP250驅(qū)動芯片來搭建，然后通過對信號的放大實現(xiàn)開關(guān)器件的驅(qū)動。如圖8所示，為驅(qū)動電壓波形，工作頻率為10 kHz，+15～-5 V，保證驅(qū)動IRFP250N型MOSFET。

在空載情況下，系統(tǒng)輸出A相相電壓波形，如圖9所示?？梢?，相電壓波形有3個電平，即+dc/2、0和-dc/2。在空載情況下，系統(tǒng)輸出線電壓波形，如圖10所示，可見，共有5個電平，經(jīng)濾波后波形為50 Hz的正弦波。

圖8 驅(qū)動電壓波形

圖9 A相相電壓波形

圖10 空載線電壓波形

圖11(a)所示為帶阻感負載情況下，逆變器輸出的線電壓波形。由于負載為阻感負載，在死區(qū)期間，由于不控電壓對輸出電壓造成影響，波形畸變較為嚴重，濾波后的波形如圖11(b)所示。

圖11 補償前輸出線電壓波形

如圖12(a)所示，為補償后線電壓波形。由圖可見，當系統(tǒng)經(jīng)過死區(qū)補償，輸出波形能得到明顯的改善，死區(qū)造成的影響能大大地降低，圖12(b)為濾波后的線電壓波形，波形恢復(fù)光滑的正弦波，達到了補償效果。實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)死區(qū)補償策略的可行性和有效性。

圖12 補償后輸出線電壓波形

5 結(jié)語

本文對T型三電平逆變器系統(tǒng)的死區(qū)原理進行了詳細的分析，闡述了死區(qū)效應(yīng)帶來的影響。通過引入死區(qū)補償，優(yōu)化了控制方法?；诖?，搭建了系統(tǒng)實驗平臺，完成了實驗。實驗結(jié)果表明，引入死區(qū)補償策略后，將原系統(tǒng)出現(xiàn)的輸出電壓4種畸變變成2種，實現(xiàn)了補償。實驗驗證了該方法的可行性與有效性。

[1] 孫超, 嚴成, 張揚帆, 等. T型三電平并網(wǎng)逆變器兩種調(diào)制策略研究[J]. 電源學(xué)報, 2013(3): 42-47.

[2] 鄭詩程, 彭勃, 徐禮萍, 等. T型三電平拓撲的PWM控制策略[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報2016(2): 93-97.

[3] Mario Schweizer, Johann W Kolar. Design and Implementation of a Highly Efficient Three-Level T-Type Converter for Low-Voltage Applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(2): 899-907.

[4] 陳惠榮. 逆變器死區(qū)效應(yīng)機理和典型補償方法的研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2007.

[5] 周京華, 賈斌, 章小衛(wèi), 等. 三電平逆變器死區(qū)補償策略研究[J]. 電機與控制學(xué)報, 2013, 17(5): 69-74.

[6] Nabae A N, Takahashi, Akagi H. A new neutral-point-clamped PWM inverter[J]. IEEE Trans on Industry Application, 1981, 17(5): 518-523.

Research on Dead Time Compensation Strategy of Three-level T-type Inverter

CHEN Ling, JI Ping, WU Jing-mei

（School of Electrical and Information Engineering, Wanjiang University of Technology, Ma’anshan 243031, China）

Compared with the traditional diode clamped three-level inverter, the three-level T-type inverter reduces six clamping diodes. Then it can reduce the loss and the device volume, which has a broad development prospect. In this paper, the characteristics and influence of the dead time of the topology are analyzed. And through the introduction to the dead time compensation strategy, the four kinds of output voltage distortion in the original system are changed into two kinds, and the compensation is realized finally. The result of experiment shows that it can effectively compensate the distortion of the output voltage by this method.

three-level inverter; control strategy; dead time effect

10.15916/j.issn1674-3261.2022.06.007

TM464

A

1674-3261(2022)06-0382-04

2020-12-28

安徽高校自然科學(xué)研究項目(KJ2021A1215)；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃項目(gxyq2019149)

陳玲(1982-)，女，安徽安慶人，副教授，碩士。

責(zé)任編輯：孫 林