鄭詩(shī)程，彭　勃，徐禮萍

（1.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，馬鞍山　243032）

T型三電平拓?fù)涞腜WM控制策略

鄭詩(shī)程，彭勃，徐禮萍

（1.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，馬鞍山243032）

對(duì)T型三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，提出一種T型三電平逆變器PWM控制方法。該方法針對(duì)T型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)負(fù)載電流的極性，對(duì)零電平時(shí)的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出參考電壓矢量的合成。分析了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的死區(qū)特點(diǎn)及影響，常規(guī)的PWM控制方法加入死區(qū)后，相電壓會(huì)出現(xiàn)4種不同的電壓畸變，應(yīng)用文中提出的控制方法，使原本復(fù)雜的4種電壓畸變情況簡(jiǎn)化為2種，并提出了具體的死區(qū)補(bǔ)償策略，有效補(bǔ)償了輸出電壓的畸變。仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制方法的可行性與有效性。

T型三電平；拓?fù)洌豢臻g矢量調(diào)制；死區(qū)補(bǔ)償；電力電子

伴隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，以絕緣柵雙極型晶體管IGBT、集成門極換流晶閘管IGCT、注入增強(qiáng)門極晶體管IEGT為代表的雙極型復(fù)合自關(guān)斷器件取得長(zhǎng)足進(jìn)步，與此同時(shí)，高壓大容量變流器技術(shù)也迅速發(fā)展起來，特別是基于多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器技術(shù)日趨成為大功率變流器的研究熱點(diǎn)[1-5]。多電平逆變器具有輸出電壓諧波小、所需器件耐壓低和開關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn)，在眾多中高壓大功率場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用[3]。其中，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便等更是得到迅猛發(fā)展。根據(jù)拓?fù)湫问讲煌救娖浇Y(jié)構(gòu)主要有3種：H橋級(jí)聯(lián)型、二極管箝位型和飛跨電容型[4]。目前，應(yīng)用較多的是二極管箝位型。

近年來，T型三電平由于具有更低的成本和導(dǎo)通損耗、更少的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源等優(yōu)點(diǎn)越來越受關(guān)注[6]。本文研究了T型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并和二極管中點(diǎn)箝位NPC（neutral point clamped）型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)合NPC型三電平逆變器的控制方法，提出一種T型三電平的PWM控制方法，該方法針對(duì)T型三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)負(fù)載電流的極性，對(duì)零電平時(shí)的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出參考電壓矢量的合成。分析了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的死區(qū)特點(diǎn)及影響，結(jié)合本文提出的PWM控制策略，提出了具體的死區(qū)補(bǔ)償方法，有效補(bǔ)償了輸出電壓的畸變。

1　T型三電平逆變器拓?fù)浼霸?/h2>

T型三電平逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 （a）所示。每相橋臂由4個(gè)功率開關(guān)器件組成，上下橋臂各一個(gè)功率開關(guān)管，并由兩個(gè)反向串聯(lián)的功率開關(guān)管與直流側(cè)電容中點(diǎn)相連，其結(jié)構(gòu)形狀像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的字符“T”，因此稱這種結(jié)構(gòu)為T型拓?fù)洹?/p>

與圖1（b）所示的NPC型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，改變了每相橋臂2個(gè)功率開關(guān)管的位置，去除了2個(gè)箝位二極管，減小了系統(tǒng)體積，降低了成本。由分析可知，當(dāng)電路輸出高電平或低電平時(shí)，電流流經(jīng)器件的個(gè)數(shù)減少，相應(yīng)的導(dǎo)通損耗也會(huì)減少[7]。根據(jù)反向串聯(lián)開關(guān)器件的接法不同，T型三電平拓?fù)溆址譃楣布姌O和共發(fā)射極兩種，如圖2所示。

圖1　逆變器主電路拓?fù)銯ig.1　Topology of inverter

圖2　T型三電平逆變器單相拓?fù)銯ig.2　Single-phase topology of T-type inverter

考慮三相逆變器電路，NPC型三電平電路需要10路獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源，共發(fā)射極的T型三電平電路需要7路，而共集電極電路只需要5路，故采用圖2（a）所示共集電極的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更有利于功率密度的提升[7]。對(duì)圖2（a）所示單相橋臂電路，設(shè)直流電壓為U=Ud，直流側(cè)電容C1=C2，若電容電壓相等，則Udc1=Udc2=Ud/2，以直流側(cè)電容中點(diǎn)O為參考，則每相橋臂可輸出3種電平：+Ud/2、0、-Ud/2，分別對(duì)應(yīng)狀態(tài)P、O和N。表1所示為單相橋臂輸出不同電平時(shí)對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)。

表1　不同電平對(duì)應(yīng)的單相開關(guān)狀態(tài)Tab.1　Switch state of different level for single phase

2　T型三電平逆變器的PMW控制

與正弦波脈寬調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）策略相比，空間矢量調(diào)制SVPWM策略具有更高的直流電壓利用率[8]，在三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。三相三電平逆變器共有27個(gè)開關(guān)狀態(tài)，組成19個(gè)有效空間矢量。其中，零矢量1個(gè)，對(duì)應(yīng)3個(gè)開關(guān)狀態(tài)；小矢量6個(gè)，對(duì)應(yīng)2個(gè)開關(guān)狀態(tài)；中矢量和大矢量各6個(gè)，分別對(duì)應(yīng)1個(gè)開關(guān)狀態(tài)。圖3所示為三電平空間矢量圖[9]。

圖3　三電平空間矢量圖Fig.3　Diagram of three-level space vector

空間矢量調(diào)制按照最近3矢量的原則選擇矢量，如圖4所示，根據(jù)伏秒平衡原理，確定3個(gè)矢量的作用時(shí)間，合成參考電壓矢量[10]。當(dāng)參考矢量旋轉(zhuǎn)至1扇區(qū)5區(qū)間的矢量序列如圖5所示。

常規(guī)控制方法根據(jù)表1所示各輸出電平對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，給予對(duì)應(yīng)的開關(guān)管觸發(fā)脈沖以實(shí)現(xiàn)PWM控制[6]。本文針對(duì)T型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出一種PWM控制方法，即根據(jù)負(fù)載電流的極性，通過對(duì)零電平時(shí)的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出參考電壓矢量的合成。以A相橋臂為例，對(duì)電路輸出零電平O時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行分析。當(dāng)連接直流側(cè)電容中點(diǎn)的兩個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電路輸出零電平，Uao=0。假設(shè)電流ia流出橋臂為正，則當(dāng)ia>0時(shí)，電流通過D4、S3形成通路，如圖6（a）所示；當(dāng)ia<0時(shí)，電流通過D3、S4形成通路，如圖6（b）所示。由圖6可看出，電流ia>0時(shí)，對(duì)于開關(guān)管S4，電流僅流經(jīng)其反并聯(lián)二極管，與S4是否觸發(fā)導(dǎo)通無關(guān)。同理，ia<0時(shí)，S3是否觸發(fā)導(dǎo)通對(duì)輸出沒有影響。

圖4　1扇區(qū)矢量合成圖Fig.4　Diagram of vector synthesis of sector 1

圖5　1扇區(qū)5區(qū)間矢量序列Fig.5　Vector sequence of 5 interval of sector 1

圖6　A相零電平開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)Fig.6　Switch tube conduction state of zero level for phase A

因此，可根據(jù)輸出電流的極性對(duì)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而使橋臂輸出零電平O。輸出電流為正時(shí)，只給S3相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)（即零電平時(shí)開通，高、低電平時(shí)關(guān)斷），S4一直關(guān)斷。輸出電流為負(fù)時(shí)，只給S4相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)，S3一直關(guān)斷。表2給出不同電平對(duì)應(yīng)的開關(guān)脈沖控制，結(jié)合SVPWM矢量控制序列，根據(jù)負(fù)載電流極性確定輸出電平對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)參考電壓矢量的合成。

表2　不同電平對(duì)應(yīng)的開關(guān)脈沖控制Tab.2　Switch pulse control of different level

可以看出，T型三電平在輸出不同的電平時(shí)只有相應(yīng)的一個(gè)開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通，相比NPC型三電平輸出不同電平時(shí)每次都有兩個(gè)開關(guān)管觸發(fā)導(dǎo)通，大大降低了開關(guān)損耗。

3　死區(qū)效應(yīng)的分析及補(bǔ)償

為避免在開關(guān)狀態(tài)切換時(shí)，同橋臂互補(bǔ)開通的開關(guān)管發(fā)生短路，需在開關(guān)過程中插入死區(qū)[11]。

由上述分析可知，當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，輸出高電平P，S3、S4導(dǎo)通時(shí)，輸出零電平O，S2導(dǎo)通時(shí)，輸出低電平N。以A相橋臂為例，當(dāng)P-O狀態(tài)切換時(shí)，死區(qū)存在于兩個(gè)開關(guān)時(shí)刻：①S1開通，S3.4關(guān)斷；②S1關(guān)斷，S3.4開通。在死區(qū)期間，S1.2.3均不導(dǎo)通，若ia> 0，二極管D2因續(xù)流導(dǎo)通，則橋臂輸出低電平N；若ia<0，二極管D1導(dǎo)通，橋臂輸出高電平P。同理，ON狀態(tài)切換時(shí)，若ia>0，橋臂輸出低電平N；若ia< 0，橋臂輸出高電平P。

T型三電平死區(qū)期間輸出電壓只與負(fù)載電流極性有關(guān)，負(fù)載電流為正則輸出低電平，負(fù)載電流為負(fù)則輸出高電平。不同情況下一個(gè)開關(guān)周期A相實(shí)際輸出壓如圖7所示?？煽闯?，加入死區(qū)后T型三電平輸出相電壓有4種不同的畸變情況，對(duì)實(shí)際輸出電壓影響很大，必須進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償。

考慮死區(qū)情況，對(duì)于上半橋臂電容來說，在開關(guān)狀態(tài)切換時(shí)，可能會(huì)通過S1-D3-S4形成短路回路，如圖8（a）所示。同理，下半橋臂可能通過D4-S3-S2形成短路回路，如圖8（b）所示。根據(jù)上節(jié)控制策略可知，在ia>0期間，開關(guān)管S4一直處于關(guān)斷狀態(tài)，圖8（a）的短路情況不會(huì)發(fā)生，則圖7（a）所示ia>0的死區(qū)情況無需考慮。同理，對(duì)于下半橋臂，在ia<0期間，開關(guān)管S3一直處于關(guān)斷狀態(tài)，圖8（b）所示短路情況不會(huì)發(fā)生，則圖7（b）所示ia<0的死區(qū)情況無需考慮。上述分析可知，只需對(duì)ia>0期間O-N狀態(tài)切換和ia<0期間P-O狀態(tài)切換兩個(gè)開關(guān)過程插入死區(qū)時(shí)間并進(jìn)行補(bǔ)償，因此使得復(fù)雜的死區(qū)情況得到簡(jiǎn)化，補(bǔ)償難度大大降低。

圖7　死區(qū)情況下A相輸出電壓Fig.7　Output voltage of phase A with dead-time

圖8短路情況Fig.8　Short circuit conditions

圖7（a）所示，加入死區(qū)后實(shí)際輸出電壓比理想輸出電壓多輸出了Td時(shí)間的高電平。本文采取時(shí)間補(bǔ)償法[12]，通過改變開關(guān)管的實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償目的。如圖9所示，將S1的理想導(dǎo)通時(shí)間縮短Td，由信號(hào)的互補(bǔ)性，S3的開通時(shí)間就延長(zhǎng)了Td，實(shí)現(xiàn)了電壓實(shí)際輸出值與參考值相等，補(bǔ)償后的實(shí)際輸出波形只是在相位上滯后了時(shí)間Td[13]。同理，可得出圖7（b）所示死區(qū)的補(bǔ)償方法。

圖9　補(bǔ)償原理Fig.9　Compensation principle

4　仿真結(jié)果

根據(jù)上述T型三電平逆變器控制策略，在Mat?lab環(huán)境下搭建了仿真模型，進(jìn)行了仿真。仿真參數(shù)：直流側(cè)電壓Ud=800 V，分壓電容C1=C2=4 700 μf，開關(guān)頻率為9 kHz，輸出電壓頻率為50 Hz。

圖10所示為逆變器工作時(shí)單相4個(gè)開關(guān)管S1～S4的觸發(fā)脈沖圖。0為低電平關(guān)斷，1為高電平觸發(fā)?？煽闯?，S1與S2處于互補(bǔ)間斷性工作，S3和S4只在輸出電流過零點(diǎn)附近高頻開斷，相比傳統(tǒng)的控制方法，有效降低了開關(guān)損耗。

圖10　單相開關(guān)管觸發(fā)脈沖Fig.10　Switch tube trigger pulse of single phase

圖11為死區(qū)補(bǔ)償前后仿真輸出的三相線電壓Uab波形和A相負(fù)載電流波形?？煽闯?，加入死區(qū)后，死區(qū)效應(yīng)導(dǎo)致疊加后的三相線電壓波形嚴(yán)重畸變，相電流波形的總諧波畸變率THD（total har?monic distortion）增加，波形受到干擾。加入補(bǔ)償后，消除了電壓畸變，輸出電流波形的THD明顯降低，達(dá)到了補(bǔ)償目的，驗(yàn)證了補(bǔ)償方法的有效性。

圖11　仿真波形Fig.11　Simulation waveforms

5　結(jié)語

本文分析了T型三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并與二極管箝位型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，得出了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。在NPC型三電平PWM控制方法的基礎(chǔ)上，提出一種T型三電平控制方法，有效降低了開關(guān)損耗。對(duì)T型三電平死區(qū)效應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了有效的死區(qū)補(bǔ)償方法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述控制方法的可行性與有效性，為T型三電平拓?fù)涞膽?yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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PWM Control Strategy of T-type Three-level Topology

ZHENG Shicheng，PENG Bo，XU Liping
（1.School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Technology，Ma’anshan 243032，China）

The T-type three-level inverter topology is analyzed in this paper，and a three-level inverter PWM con?trol method based on the topology is presented.The method controls the switch state of the zero level according to the po?larity of the load current to realize the synthesis of output reference voltage vector.The characteristics and effects of the dead-time is analyzed.Conventional PWM control method with dead-time will cause four different kinds of phase volt?age distortion，but the application of control method presented make the complex voltage distortion more simple with two kinds of situations.The strategy of dead-time compensation is attained which reduces the output voltage distortion effectively.The results of simulation verify the feasibility and effectiveness of the control method.

T-type three-level；topology；space vector pulse width modulation（SVPWM）；dead-time compensation；power electronics

TM464

A

1003-8930（2016）02-0093-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.02.015

鄭詩(shī)程（1972—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮庸β首儞Q技術(shù)、電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用等。Email：zsc108@ahut.edu.cn

彭勃（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮庸β首儞Q技術(shù)等。Email：pengbo1991@126.com

徐禮萍（1990—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮庸β首儞Q技術(shù)等。Email：xuliping0921@163.com

2014-05-27；

2015-04-14

安徽省工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心開放課題基金資助（KFKT201407）