陳 玲，紀(jì) 萍，吳靜妹

T型三電平逆變器的死區(qū)補(bǔ)償策略研究

陳 玲，紀(jì) 萍，吳靜妹

（皖江工學(xué)院 電氣信息工程系，安徽 馬鞍山 243031）

對(duì)T型三電平逆變器的控制方法進(jìn)行了分析，通過(guò)引入的死區(qū)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)證明，該方法有效地補(bǔ)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(lái)，在NPC拓?fù)涞幕A(chǔ)上發(fā)展提出的T型三電平拓?fù)?，由于損耗減少，成本更低，越來(lái)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?fù)渲性黾恿艘粋€(gè)雙向的開(kāi)關(guān)器件，導(dǎo)致在不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下切換時(shí)，會(huì)出現(xiàn)直流母線短路的情況，從而進(jìn)一步損壞開(kāi)關(guān)器件。因此，在每次開(kāi)關(guān)切換時(shí)，通過(guò)加入一定的補(bǔ)償時(shí)間，來(lái)改變開(kāi)關(guān)器件的實(shí)際導(dǎo)通過(guò)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(guò)加入的死區(qū)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)所示，三相橋臂中每相各包含4個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，形成T型結(jié)構(gòu)，且每個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)一個(gè)二極管，因此稱(chēng)為T(mén)型三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。

圖1 T型三電平逆變器拓?fù)?/p>

當(dāng)逆變器工作時(shí)，開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷狀態(tài)應(yīng)嚴(yán)格互補(bǔ)。但由于功率開(kāi)關(guān)器件不是理想的器件，在實(shí)際工作過(guò)程中，開(kāi)通或關(guān)斷都會(huì)有一定的延時(shí)。因此，如果將原本嚴(yán)格互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)加到實(shí)際的開(kāi)關(guān)器件上后，則會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件原本應(yīng)關(guān)斷而未關(guān)斷，而另一開(kāi)關(guān)器件已開(kāi)通，最終整個(gè)回路直通，發(fā)生短路現(xiàn)象，進(jìn)一步開(kāi)關(guān)管損壞[4]。若在實(shí)際工作中，能對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)加入一個(gè)死區(qū)的時(shí)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?fù)渲?，存在?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(dāng)P-O狀態(tài)切換時(shí)，S1與S4為互補(bǔ)狀態(tài)，但可能會(huì)使C1回路短路。

當(dāng)O-N狀態(tài)切換時(shí)，S2與S3為互補(bǔ)狀態(tài)，但可能會(huì)使C2回路短路。

如圖3所示，當(dāng)S1與S4發(fā)生直通時(shí)，即發(fā)生P-N狀態(tài)切換時(shí)，會(huì)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(wú)需考慮死區(qū)時(shí)間，為防止開(kāi)關(guān)管意外觸發(fā)動(dòng)作，仍需在保護(hù)電路中予以保護(hù)，防止發(fā)生短路。

圖3 直通情況

常用的加入死區(qū)時(shí)間的方法是“延時(shí)導(dǎo)通，按時(shí)關(guān)斷”，即控制功率開(kāi)關(guān)管延時(shí)一個(gè)死區(qū)時(shí)間導(dǎo)通[5]。如圖4所示，原有的驅(qū)動(dòng)信號(hào)嚴(yán)格互補(bǔ)，在此期間加入一死區(qū)時(shí)間，此時(shí)間應(yīng)由功率器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間決定。IGBT的死區(qū)時(shí)間一般設(shè)置在2～10 μs。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)加入一個(gè)死區(qū)時(shí)間，開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)波形下降沿不變，但上升沿延遲了一個(gè)死區(qū)時(shí)間，以保證開(kāi)關(guān)器件有足夠的時(shí)間關(guān)斷。若按此方法，加入的死區(qū)時(shí)間即會(huì)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬，則必然會(huì)進(jìn)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(dāng)電路工作于死區(qū)狀態(tài)，原開(kāi)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(lái)說(shuō)明。

如圖2中，電路處于P-O的狀態(tài)切換時(shí)，會(huì)出現(xiàn)2個(gè)死區(qū)：①S1開(kāi)通，S3、S4關(guān)斷；②S1關(guān)斷，S3、S4開(kāi)通。在死區(qū)期間，S1、S2、S3均不導(dǎo)通，若a>0，二極管D2進(jìn)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(jìn)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(shí)，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(fù)載輸出電流的極性而定。

如圖5所示，系統(tǒng)工作時(shí)P-O切換和O-P切換時(shí)，A相的實(shí)際輸出波形?？梢?jiàn)，在考慮死區(qū)情況后，系統(tǒng)的輸出相電壓會(huì)出現(xiàn)4種情況的畸變。因此，要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

3 死區(qū)補(bǔ)償方法

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

由上述分析可知，只需對(duì)2個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程：a>0的O-N狀態(tài)切換和a<0的P-O狀態(tài)切換過(guò)程，加入一死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償即可。通過(guò)這種補(bǔ)償，使得原本復(fù)雜的死區(qū)效應(yīng)得到了簡(jiǎn)化，完成了補(bǔ)償。

如圖5(a)所示，當(dāng)系統(tǒng)工作考慮死區(qū)情況后，實(shí)際輸出比理想輸出，電壓多了一段高電平，時(shí)間為d。但若系統(tǒng)引入補(bǔ)償后，則改變了開(kāi)關(guān)器件實(shí)際的導(dǎo)通時(shí)間，改善輸出。

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

圖6 補(bǔ)償示意圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)T型三電平逆變器系統(tǒng)的研究分析，進(jìn)一步進(jìn)行了仿真，并搭建逆變器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(kāi)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(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，實(shí)驗(yàn)中，將MOSFET固定在鋁合金散熱器表面，以滿(mǎn)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(guò)控制程序產(chǎn)生6路邏輯控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)FPGA譯碼，同時(shí)進(jìn)行死區(qū)處理后，最終輸出12路PWM信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)逆變橋。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置的死區(qū)時(shí)間為2 μs。如圖7可見(jiàn)，加入死區(qū)后，2個(gè)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通關(guān)斷信號(hào)存在2 μs的時(shí)間差，可避免直通現(xiàn)象。

圖7 死區(qū)波形

驅(qū)動(dòng)電路部分采用TLP250驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)搭建，然后通過(guò)對(duì)信號(hào)的放大實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)。如圖8所示，為驅(qū)動(dòng)電壓波形，工作頻率為10 kHz，+15～-5 V，保證驅(qū)動(dòng)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。可見(jiàn)，相電壓波形有3個(gè)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(jiàn)，共有5個(gè)電平，經(jīng)濾波后波形為50 Hz的正弦波。

圖8 驅(qū)動(dòng)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(fù)載情況下，逆變器輸出的線電壓波形。由于負(fù)載為阻感負(fù)載，在死區(qū)期間，由于不控電壓對(duì)輸出電壓造成影響，波形畸變較為嚴(yán)重，濾波后的波形如圖11(b)所示。

圖11 補(bǔ)償前輸出線電壓波形

如圖12(a)所示，為補(bǔ)償后線電壓波形。由圖可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)死區(qū)補(bǔ)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(dá)到了補(bǔ)償效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)死區(qū)補(bǔ)償策略的可行性和有效性。

圖12 補(bǔ)償后輸出線電壓波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)T型三電平逆變器系統(tǒng)的死區(qū)原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，闡述了死區(qū)效應(yīng)帶來(lái)的影響。通過(guò)引入死區(qū)補(bǔ)償，優(yōu)化了控制方法?；诖耍罱讼到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入死區(qū)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性。

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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(xiàng)目(KJ2021A1215)；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(gxyq2019149)

陳玲(1982-)，女，安徽安慶人，副教授，碩士。

責(zé)任編輯：孫 林