三電平逆變器死區補償策略研究

周京華， 賈斌， 章小衛， 李正熙

(北方工業大學北京市變頻技術工程研究中心，北京100144)

0 引言

三電平拓撲結構具有輸出容量大、輸出電壓高、電流諧波含量小等優點，使得三電平結構在高壓大功率交流電機變頻調速領域得到了廣泛的應用［1－2］。

為防止逆變器橋臂直通，必須在同一橋臂互補的觸發信號中加入死區［3－4］，以保證同橋臂上開關管可靠關斷后，與之互補的開關管才能導通。但由于死區時間的引入，導致系統控制性能變差，輸出電壓與電流發生畸變，特別是低速時可能會導致電動機發生機械諧振。為了克服上述缺點，需要對死區進行補償［5］。

文獻［6］中提出了一種應用在兩電平逆變器裝置中較好的死區補償的方法，將死區時間、IGBT開通和關斷時間、IGBT及續流二極管的管壓降等都考慮到。文獻［7］給出了一種基于FPGA的三電平逆變器死區補償方法，但沒有考慮IGBT管壓降及開關時間對死區補償的影響。文獻［8］基于空間矢量調制，提出一種三電平死區補償策略，但沒有考慮到開關器件的導通壓降。文獻［9］所給出的三電平死區補償策略沒有考慮功率器件的開關延時。

本文針對三電平逆變器，根據伏秒等效原理，充分考慮到死區時間、功率器件的開通關斷延時以及管壓降，提出一種新型的三電平逆變器死區補償算法，并通過實驗進行了驗證。

1 三電平逆變器死區補償原理

1.1 死區時間及開關延時補償

針對三相三電平PWM逆變器帶感應電機拓撲結構(圖1)，以A相為例分析死區補償策略(規定電流流向電機的方向為正方向)。

圖1 三相三電平PWM逆變器拓撲圖Fig．1 Three-phase three-level PWM inverter

假設Uas為正，Sa2一直導通，Sa4一直關斷。圖2(a)是由A相電壓參考值Uas與載波進行比較得到的(對稱規則采樣)A相Sa1管和Sa3管在沒有設置死區情況下的理想脈沖。圖2(b)為電流為正時，設置了死區時間Td情況下的補償策略。理想情況下Sa1管應在T1時刻開通，T2時刻關斷;Sa3管應在T1時刻關斷，T2時刻開通。補償 Tcom時間后，Sa1管在T1－Tcom+Td時刻延遲開通，在T2+Tcom時刻延遲關斷;Sa3管在T1－Tcom時刻提前關斷，在T2+Tcom+Td時刻延遲開通。圖2(c)為考慮到功率器件的開通延時Ton和關斷延時Toff，實際輸出的A相對中點O的電壓Uao。圖2(d)為等效輸出A相對中點O的電壓Uao，開通延時定義為開關控制信號開通到實際功率器件開通的時間間隔，它包括了驅動電路的信號延遲時間和功率器件的開通延遲。關斷延時的定義與開通延時類似。

圖2 死區補償策略Fig．2 Dead-time compensation strategy

圖2(a)中Sa1管的理想開通時間為T2－T1，而圖2(d)中Sa1管的等效實際開通時間為T2－T1－Ton+Toff－ Td+2Tcom。

誤差時間為

當參考相電壓為負時，Sa3一直導通，Sa1一直關斷，同理分析所得結論與式(1)～式(4)一致。

由式(1)～式(4)可以看出，由于死區時間、IGBT開通和關斷延時的影響，實際有效導通時間跟理想導通時間差距較大，可以通過改變補償時間Tcom來控制誤差時間。

1.2 管壓降補償

死區時間一般是由軟件進行設置，數值固定不變，而功率器件如IGBT和二極管的管壓降隨負載電流的變化而變化，難以量化，是死區補償需要重點考慮的問題。

表1為理想狀況下，不同開關狀態對應的輸出對中點的電壓。但實際中由于功率器件兩端存在電位差，輸出對中點的電壓與理想值會出現偏差。

表1 輸出對中點電壓和開關狀態表Table 1 Output-to-midpoint voltage and table of switch status

假設各IGBT管的管壓降相同，續流二極管和箝位二極管的管壓降相同，中點電壓平衡即Vdc1=Vdc2=Vdc/2。以A相為例，當ias＞0時，實際輸出點a對中點O的電壓為

同理得其他兩相輸出到中點的等效電壓Vbo和Vco。

對于三相對稱的負載有

2 實驗結果分析

基于DSP與CPLD，構建了三電平逆變器控制系統硬件平臺，如圖3所示。

圖3 三電平逆變器控制系統Fig．3 Control system of three-level inverter

在圖3所示的硬件平臺上進行了開環V/F控制的實驗，整流側采用不控整流電路，輸入線電壓為380 V，逆變器采用SVPWM調制方式，負載為30kW異步電機。開關頻率為1 kHz，采樣時間為1 ms，設置的死區時間為10 μs。實驗主要驗證死區補償算法的正確性。

圖4為流入電機的A、B、C三相電流，經2s/3s變換后得到的Iα、Iβ波形和它們的李薩如(Lissajous)圖形。

圖4 Iα、Iβ電流波形及其李薩如圖形Fig．4 Current waveform of Iα，Iβ and Lissajous figure

圖4(a)和圖4(b)分別為2 Hz時加入死區補償算法前后的波形。加入死區補償算法后電流波形明顯好轉，Iα、Iβ的李薩如圖形也更圓。

圖4(c)和圖4(d)分別為5 Hz時加入死區補償算法前后的波形。從圖中可見，加入死區補償后，電流波形變好。

在加入考慮開關延時、管壓降的死區補償算法前后，實測的輸出線電壓如表2所示。

表2 死區補償前后輸出線電壓Table2 Output line voltage before and after dead-time compensation

從表2可以看出，在加入死區補償算法后，實測線電壓也有大約4V的提升，補償了由死區效應引起的電壓損失。

3 結語

本文針對三電平逆變器中死區效應產生的電壓和電流畸變問題，從死區時間、功率器件的開通關斷延時及管壓降方面，對死區補償進行了分析，提出了一種新型的三電平死區補償策略。實驗結果表明在低頻下加入死區補償算法，三電平逆變器輸出電流波形明顯改善，實際輸出線電壓也有所升高，證明了該方法的正確性和有效性。

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