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五電平逆變器死區(qū)補(bǔ)償研究
摘 要：本文分析了五電平逆變器“死區(qū)效應(yīng)”，分析了一種基于脈沖自身的死區(qū)補(bǔ)償策略，同時(shí)采用了一種改進(jìn)的坐標(biāo)變換法解決零電流箝位現(xiàn)象。最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)本文中的死區(qū)補(bǔ)償方法予以驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法的可行性。
關(guān)鍵詞：五電平逆變器;零電流鉗位;死區(qū)補(bǔ)償
引言
由功率器件的開關(guān)特性可知，功率開關(guān)管存在開通及關(guān)斷延時(shí)。三相電壓源型逆變器，為了避免由于器件特性可能引起的橋臂直通現(xiàn)象[1]，需要在逆變器橋臂觸發(fā)信號(hào)中設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)能夠保障開關(guān)器件的安全運(yùn)行，但會(huì)致使理想的觸發(fā)脈沖與實(shí)際輸出脈沖之間存在一定的偏差，從而引起了逆變器的“死區(qū)效應(yīng)”。死區(qū)導(dǎo)致逆變器輸出電壓產(chǎn)生偏差，電流波形嚴(yán)重畸變。在高壓大功率場(chǎng)合，由于IGBT，IGCT開關(guān)延時(shí)相對(duì)低壓開關(guān)器件較長，需要設(shè)置更長的死區(qū)時(shí)間，死區(qū)效應(yīng)對(duì)逆變器的輸出影響更加嚴(yán)重。
為了消除補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)帶來的影響，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多死區(qū)補(bǔ)償方法研究。這些方法一般分為兩類：一類是基于平均誤差電壓的補(bǔ)償方法，另一類是基于觸發(fā)脈沖本身的死區(qū)補(bǔ)償方法。第一類補(bǔ)償方法容易實(shí)現(xiàn)，但是逆變器實(shí)際輸出與理想輸出存在一定的相位差，補(bǔ)償不夠精確，隨后有學(xué)者提出了電壓的補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)方法，在補(bǔ)償策略中把功率器件以及續(xù)流二極管的壓降納入考慮范圍;第二類方法可以做到對(duì)死區(qū)效應(yīng)的精確補(bǔ)償，但對(duì)控制器提出了很高要求，控制器在一個(gè)PWM周期內(nèi)需要實(shí)現(xiàn)兩次采樣[2]。此外，死區(qū)補(bǔ)償中各相電流極性的鑒別十分重要，出現(xiàn)零電流鉗位現(xiàn)象時(shí)造成電流方向判斷不準(zhǔn)確會(huì)導(dǎo)致誤補(bǔ)償，因此需要采用一定的方法對(duì)其進(jìn)行處理。本文采用了一種基于脈沖自身的死區(qū)補(bǔ)償策略，能夠達(dá)到精確補(bǔ)償?shù)男Ч�，且與傳統(tǒng)方法相比不需要在控制器中設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間。
一、五電平的死區(qū)設(shè)置及死區(qū)效應(yīng)
如圖1所示是單相二極管箝位式五電平逆變器主電路。五電平逆變器每相橋臂有五種開關(guān)狀態(tài)P2[1 1 1 1 0 0 0 0]，P1[0 1 1 1 1 0 0 0]，O[0 0 1 1 1 1 0 0]，N1 [0 0 0 1 1 1 1 0]，N2[0 0 0 0 1 1 1 1]。逆變器各橋臂開關(guān)狀態(tài)按照上述五種狀態(tài)依次過渡，不存在跳躍式過渡，如P2直接過渡到O。以A相為例，考慮開關(guān)特性，加入D1、D2、D3、D4四種死區(qū)狀態(tài)，結(jié)合圖1分析五電平逆變器加入死區(qū)后具體過渡過程如下：
P2→P1過渡，先斷Sa1，后開通Sa5;P1→P2過渡，先斷Sa5，后開通Sa1;P1→O過渡，先斷Sa2，后開通Sa6;O→P1過渡，先斷Sa6，后開通Sa2;O→N1過渡，先斷Sa3，后開通Sa7;N1→O過渡，先斷Sa7，后開通Sa3;N1→N2過渡，先斷Sa4，后開通Sa8;N2→N1過渡，先斷Sa8，后開通Sa4;根據(jù)上述規(guī)律，總結(jié)加入死區(qū)狀態(tài)后開關(guān)狀態(tài)與逆變橋電流方向關(guān)系如表1所示。
以A相死區(qū)狀態(tài)D1為例，圖2示出了死區(qū)狀態(tài)對(duì)逆變器輸出的影響，規(guī)定電流流出逆變橋的方向?yàn)檎较�，流入為�?fù)方向。
圖2中，(a)為A相上橋臂Sa1與下橋臂Sa5兩個(gè)開關(guān)管的理想觸發(fā)信號(hào);(b)為加入死區(qū)時(shí)兩個(gè)開關(guān)管觸發(fā)信號(hào);(c)為未設(shè)置死區(qū)時(shí)的理想輸出電壓uan;(d)為ia>0時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan1;(e)為ia<0時(shí)的實(shí)際輸出電壓uan2。從圖中可以看出，加入死區(qū)后A相電壓產(chǎn)生偏差，當(dāng)電流大于零時(shí)缺失了一個(gè)寬度為td(死區(qū)時(shí)間)的電壓脈沖，當(dāng)電流小于零時(shí)增加了一個(gè)寬度為td的電壓脈沖。同理，其他三個(gè)死區(qū)狀態(tài)也會(huì)帶來類似的影響，這里就不再予以分析。若開關(guān)頻率不變，死區(qū)時(shí)間設(shè)置的越大，電壓偏差也越大，“死區(qū)效應(yīng)”也更為嚴(yán)重。
二、基于脈沖的死區(qū)補(bǔ)償原理
對(duì)圖1分析可知，當(dāng)ia>0時(shí)，若開關(guān)管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，輸出狀態(tài)為P2;若Sa1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，Sa2、Sa3、Sa4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，Da1續(xù)流，輸出狀態(tài)為P1，此時(shí)即使Sa5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，也不會(huì)導(dǎo)通。由此可見，在ia>0時(shí)，輸出狀態(tài)P2僅由Sa1決定。同理可得，在ia<0時(shí)，輸出狀態(tài)P2僅由Sa5決定，輸出其他電平時(shí)與此類似。
前文已經(jīng)討論了死區(qū)補(bǔ)償?shù)幕痉椒�，本文采用基于脈沖本身的死區(qū)補(bǔ)償方法。仍以A相的死區(qū)狀態(tài)D1為例對(duì)本文所提的死區(qū)補(bǔ)償方法進(jìn)行分析�；谇拔姆治�，可得輸出電平在P2、P1間切換時(shí)的死區(qū)補(bǔ)償原理如圖2所示。圖2(a)為未設(shè)置死區(qū)時(shí)Sa1、Sa5的理想驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)設(shè)置死區(qū)后應(yīng)根據(jù)橋臂電流的方向?qū)λ绤^(qū)予以補(bǔ)償，若ia>0時(shí)，保持開關(guān)管Sa1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變，Sa5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)提前td關(guān)斷并延遲td開通，如圖3(b)所示;若ia<0時(shí)，Sa5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)不變，上橋臂開關(guān)管Sa5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲td開通并提前td關(guān)斷，如圖3(c)所示。圖3中的(d)為理想狀態(tài)下的輸出電壓uan;(e)為經(jīng)過本文死區(qū)補(bǔ)償后的實(shí)際輸出電壓uan1。不難看出，uan和uan1波形一致，從而消除了“死區(qū)效應(yīng)”引起的偏差。其他相以及其他輸出狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換的死區(qū)補(bǔ)償原理與A相D1狀態(tài)類似。
三、電流極性鑒別及零電流鉗位處理
前文的死區(qū)補(bǔ)償原理建立在正確判斷逆變器橋臂電流方向，然后根據(jù)電流方向及死區(qū)狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償。因此，正確鑒別電流方向十分重要，否則會(huì)造成死區(qū)的誤補(bǔ)償，致使輸出電壓偏差更大。本文采用一種間接的方法判斷相電流的方向[3]。將三相負(fù)載電流ia、ib和ic通過Clark和Park變換到d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，由于轉(zhuǎn)矩電流id和勵(lì)磁電流iq分別為直流分量，因此，很容易運(yùn)用低通濾波器將高次諧波和噪音過濾掉。根據(jù)矢量角θi可將α-β靜止坐標(biāo)系分成六個(gè)扇區(qū)，如圖4所示。
具體的矢量角與電流的方向如表2所示。
表2 電流矢量角與電流的方向關(guān)系
通過判斷將三相電流合成電流矢量的d-q坐標(biāo)系中的矢量角，然后再經(jīng)過查表就可以鑒別出三相電流的極性，從而進(jìn)行相應(yīng)的死區(qū)補(bǔ)償。
零電流鉗位現(xiàn)象及處理方案：
因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間td設(shè)置較短，單個(gè)死區(qū)時(shí)間內(nèi)的零電流鉗位不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，然而在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，電流通過二極管續(xù)流具有減少的趨勢(shì)，若電流減小至0，低頻輸出時(shí)非常明顯，在下一個(gè)死區(qū)帶來后二極管反向阻斷，電流被鉗位到0，這種現(xiàn)象稱為零電流鉗位現(xiàn)象。
由前文可知電流極性的鑒別在死區(qū)補(bǔ)償中十分重要，鑒別錯(cuò)誤會(huì)使死區(qū)補(bǔ)償過程中的觸發(fā)脈沖調(diào)整錯(cuò)誤，進(jìn)一步使逆變器輸出電壓惡化。因此，準(zhǔn)確判斷零電流鉗位現(xiàn)象，并采取一定的處理方案使系統(tǒng)快速通過零電流區(qū)域?qū)⒆兊檬株P(guān)鍵。一般可采用反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)法，預(yù)測(cè)電流控制法。為了不考慮增加硬件成本，本文在文獻(xiàn)[4]所提的一種針對(duì)電壓補(bǔ)償法的零電流鉗位處理方法的基礎(chǔ)上予以改進(jìn)，采用電流坐標(biāo)變換的方法，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出零電流鉗位時(shí)刻，并改變電流極性的判斷結(jié)果，使死區(qū)得到準(zhǔn)確的補(bǔ)償。
本文先取各相電流大小相應(yīng)的符號(hào)函數(shù)值，方向不變，然后將其由a-b-c坐標(biāo)系下變換到新的坐標(biāo)系dI-qI下，如圖5所示。
圖5中，α-β為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系;d-q為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系;θ為矢量控制中的定向角;dI-qI為新的電流坐標(biāo)系，θI為電流矢量與α軸的夾角。
θI=arctan(iβ*/iα*)(1)
把a(bǔ)-b-c坐標(biāo)系下的電流取符號(hào)函數(shù)并變換到dI-qI坐標(biāo)系下：
仿真結(jié)果如圖5所示，將三相電流取符號(hào)函數(shù)并變換到的dI-qI坐標(biāo)系中，則在dI軸的分量id*為三倍基頻的鋸齒波(峰值為±0.816)，而在qI軸的分量iq*為三倍基頻的脈動(dòng)直流量�？梢酝ㄟ^比較id*與其峰值大小來判斷是否出現(xiàn)零電流鉗位，若有零電流鉗位出現(xiàn)，需要對(duì)電流極性進(jìn)行相應(yīng)的修正。
零電流鉗位現(xiàn)象處理步驟：
(1)取a-b-c三相電流的符號(hào)函數(shù)得到sgn(ia)、sgn(ib)、sgn(ic)，通過坐標(biāo)變換到dI-qI坐標(biāo)系中;
(2)將dI軸分id*與理論幅值比較，若超出理論值范圍則出現(xiàn)零電流鉗位，否則沒有零電流鉗位;
(3)若出現(xiàn)零電流鉗位，比較ia、ib、ic的大小，然后改變絕對(duì)值最小相的電流極性。
四、死區(qū)補(bǔ)償仿真研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
仿真參數(shù)：Vdc=200V，直流側(cè)電容為C=2200μF，系統(tǒng)頻率為5kHz，輸出頻率f=50Hz，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為5μs。
(a)零電流鉗位時(shí)的相電流
(b)零電流鉗位時(shí)dI-qI軸分量
(c)經(jīng)過零電流鉗位處理后的相電流
(d)經(jīng)過零電流鉗位處理后dI-qI軸分量
根據(jù)前面五電平死區(qū)補(bǔ)償及零電流鉗位處理的理論分析，結(jié)合二極管鉗位型五電平逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)相同。
(a)未加入死區(qū)補(bǔ)償時(shí)電流波形
(b)加入死區(qū)補(bǔ)償時(shí)電流波形
圖7為死區(qū)補(bǔ)償前后的A相電流波形。圖7(a)為加入死區(qū)不補(bǔ)償時(shí)的相電流，圖7(b)為采用本文死區(qū)補(bǔ)償方法后的相電流波形。由實(shí)驗(yàn)波形可知，通過本文所提方法進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償后，相電流畸變率降低，正弦度得到很大的改善，零電流鉗位效應(yīng)得到抑制，驗(yàn)證了本文補(bǔ)償方法的正確性。
五、結(jié)論
本文分析了五電平逆變器“死區(qū)效應(yīng)”，采用一種基于脈沖本身的死區(qū)補(bǔ)償方法對(duì)死區(qū)設(shè)置后帶來的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。采用了電流矢量的空間位置分布對(duì)各相電流極性進(jìn)行鑒別，同時(shí)采用了一種改進(jìn)型的零電流鉗位處理方法，該方法可以檢測(cè)零電流鉗位現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)刻，并修正電流的判斷極性，使死區(qū)效應(yīng)得到準(zhǔn)確的補(bǔ)償。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法的可行性。
參考文獻(xiàn)：
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[2]王高林，于泳，楊榮峰，等.感應(yīng)電機(jī)空間矢量PWM控制逆變器死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(15)：79-83.
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