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五電平逆變器死區補償研究
摘 要：本文分析了五電平逆變器“死區效應”，分析了一種基于脈沖自身的死區補償策略，同時采用了一種改進的坐標變換法解決零電流箝位現象。最后通過實驗對本文中的死區補償方法予以驗證，實驗結果證實了該方法的可行性。
關鍵詞：五電平逆變器;零電流鉗位;死區補償
引言
由功率器件的開關特性可知，功率開關管存在開通及關斷延時。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象[1]，需要在逆變器橋臂觸發信號中設置一定的死區時間。死區能夠保障開關器件的安全運行，但會致使理想的觸發脈沖與實際輸出脈沖之間存在一定的偏差，從而引起了逆變器的“死區效應”。死區導致逆變器輸出電壓產生偏差，電流波形嚴重畸變。在高壓大功率場合，由于IGBT，IGCT開關延時相對低壓開關器件較長，需要設置更長的死區時間，死區效應對逆變器的輸出影響更加嚴重。
為了消除補償死區效應帶來的影響，國內外學者進行了很多死區補償方法研究。這些方法一般分為兩類：一類是基于平均誤差電壓的補償方法，另一類是基于觸發脈沖本身的死區補償方法。第一類補償方法容易實現，但是逆變器實際輸出與理想輸出存在一定的相位差，補償不夠精確，隨后有學者提出了電壓的補償的改進方法，在補償策略中把功率器件以及續流二極管的壓降納入考慮范圍;第二類方法可以做到對死區效應的精確補償，但對控制器提出了很高要求，控制器在一個PWM周期內需要實現兩次采樣[2]。此外，死區補償中各相電流極性的鑒別十分重要，出現零電流鉗位現象時造成電流方向判斷不準確會導致誤補償，因此需要采用一定的方法對其進行處理。本文采用了一種基于脈沖自身的死區補償策略，能夠達到精確補償的效果，且與傳統方法相比不需要在控制器中設置一定的死區時間。
一、五電平的死區設置及死區效應
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狀態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]。逆變器各橋臂開關狀態按照上述五種狀態依次過渡，不存在跳躍式過渡，如P2直接過渡到O。以A相為例，考慮開關特性，加入D1、D2、D3、D4四種死區狀態，結合圖1分析五電平逆變器加入死區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;根據上述規律，總結加入死區狀態后開關狀態與逆變橋電流方向關系如表1所示。
以A相死區狀態D1為例，圖2示出了死區狀態對逆變器輸出的影響，規定電流流出逆變橋的方向為正方向，流入為負方向。
圖2中，(a)為A相上橋臂Sa1與下橋臂Sa5兩個開關管的理想觸發信號;(b)為加入死區時兩個開關管觸發信號;(c)為未設置死區時的理想輸出電壓uan;(d)為ia>0時的實際輸出電壓uan1;(e)為ia<0時的實際輸出電壓uan2。從圖中可以看出，加入死區后A相電壓產生偏差，當電流大于零時缺失了一個寬度為td(死區時間)的電壓脈沖，當電流小于零時增加了一個寬度為td的電壓脈沖。同理，其他三個死區狀態也會帶來類似的影響，這里就不再予以分析。若開關頻率不變，死區時間設置的越大，電壓偏差也越大，“死區效應”也更為嚴重。
二、基于脈沖的死區補償原理
對圖1分析可知，當ia>0時，若開關管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4的驅動信號為高電平，輸出狀態為P2;若Sa1的驅動信號為低電平，Sa2、Sa3、Sa4的驅動信號為高電平，Da1續流，輸出狀態為P1，此時即使Sa5的驅動信號為高電平，也不會導通。由此可見，在ia>0時，輸出狀態P2僅由Sa1決定。同理可得，在ia<0時，輸出狀態P2僅由Sa5決定，輸出其他電平時與此類似。
前文已經討論了死區補償的基本方法，本文采用基于脈沖本身的死區補償方法。仍以A相的死區狀態D1為例對本文所提的死區補償方法進行分析。基于前文分析，可得輸出電平在P2、P1間切換時的死區補償原理如圖2所示。圖2(a)為未設置死區時Sa1、Sa5的理想驅動信號。當設置死區后應根據橋臂電流的方向對死區予以補償，若ia>0時，保持開關管Sa1的驅動信號不變，Sa5的驅動信號提前td關斷并延遲td開通，如圖3(b)所示;若ia<0時，Sa5的驅動信號不變，上橋臂開關管Sa5的驅動信號延遲td開通并提前td關斷，如圖3(c)所示。圖3中的(d)為理想狀態下的輸出電壓uan;(e)為經過本文死區補償后的實際輸出電壓uan1。不難看出，uan和uan1波形一致，從而消除了“死區效應”引起的偏差。其他相以及其他輸出狀態間的轉換的死區補償原理與A相D1狀態類似。
三、電流極性鑒別及零電流鉗位處理
前文的死區補償原理建立在正確判斷逆變器橋臂電流方向，然后根據電流方向及死區狀態進行補償。因此，正確鑒別電流方向十分重要，否則會造成死區的誤補償，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]。將三相負載電流ia、ib和ic通過Clark和Park變換到d-q同步旋轉坐標系下，由于轉矩電流id和勵磁電流iq分別為直流分量，因此，很容易運用低通濾波器將高次諧波和噪音過濾掉。根據矢量角θi可將α-β靜止坐標系分成六個扇區，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系
通過判斷將三相電流合成電流矢量的d-q坐標系中的矢量角，然后再經過查表就可以鑒別出三相電流的極性，從而進行相應的死區補償。
零電流鉗位現象及處理方案：
因為死區時間td設置較短，單個死區時間內的零電流鉗位不會對系統運行產生較大影響，然而在死區時間內，電流通過二極管續流具有減少的趨勢，若電流減小至0，低頻輸出時非常明顯，在下一個死區帶來后二極管反向阻斷，電流被鉗位到0，這種現象稱為零電流鉗位現象。
由前文可知電流極性的鑒別在死區補償中十分重要，鑒別錯誤會使死區補償過程中的觸發脈沖調整錯誤，進一步使逆變器輸出電壓惡化。因此，準確判斷零電流鉗位現象，并采取一定的處理方案使系統快速通過零電流區域將變得十分關鍵。一般可采用反電動勢估計法，預測電流控制法。為了不考慮增加硬件成本，本文在文獻[4]所提的一種針對電壓補償法的零電流鉗位處理方法的基礎上予以改進，采用電流坐標變換的方法，可以準確檢測出零電流鉗位時刻，并改變電流極性的判斷結果，使死區得到準確的補償。
本文先取各相電流大小相應的符號函數值，方向不變，然后將其由a-b-c坐標系下變換到新的坐標系dI-qI下，如圖5所示。
圖5中，α-β為旋轉坐標系;d-q為同步旋轉坐標系;θ為矢量控制中的定向角;dI-qI為新的電流坐標系，θI為電流矢量與α軸的夾角。
θI=arctan(iβ*/iα*)(1)
把a-b-c坐標系下的電流取符號函數并變換到dI-qI坐標系下：
仿真結果如圖5所示，將三相電流取符號函數并變換到的dI-qI坐標系中，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*為三倍基頻的脈動直流量。可以通過比較id*與其峰值大小來判斷是否出現零電流鉗位，若有零電流鉗位出現，需要對電流極性進行相應的修正。
零電流鉗位現象處理步驟：
(1)取a-b-c三相電流的符號函數得到sgn(ia)、sgn(ib)、sgn(ic)，通過坐標變換到dI-qI坐標系中;
(2)將dI軸分id*與理論幅值比較，若超出理論值范圍則出現零電流鉗位，否則沒有零電流鉗位;
(3)若出現零電流鉗位，比較ia、ib、ic的大小，然后改變絕對值最小相的電流極性。
四、死區補償仿真研究與實驗驗證
仿真參數：Vdc=200V，直流側電容為C=2200μF，系統頻率為5kHz，輸出頻率f=50Hz，死區時間設置為5μs。
(a)零電流鉗位時的相電流
(b)零電流鉗位時dI-qI軸分量
(c)經過零電流鉗位處理后的相電流
(d)經過零電流鉗位處理后dI-qI軸分量
根據前面五電平死區補償及零電流鉗位處理的理論分析，結合二極管鉗位型五電平逆變器實驗平臺進行死區補償的相關實驗，實驗參數與仿真參數相同。
(a)未加入死區補償時電流波形
(b)加入死區補償時電流波形
圖7為死區補償前后的A相電流波形。圖7(a)為加入死區不補償時的相電流，圖7(b)為采用本文死區補償方法后的相電流波形。由實驗波形可知，通過本文所提方法進行死區補償后，相電流畸變率降低，正弦度得到很大的改善，零電流鉗位效應得到抑制，驗證了本文補償方法的正確性。
五、結論
本文分析了五電平逆變器“死區效應”，采用一種基于脈沖本身的死區補償方法對死區設置后帶來的誤差進行補償。采用了電流矢量的空間位置分布對各相電流極性進行鑒別，同時采用了一種改進型的零電流鉗位處理方法，該方法可以檢測零電流鉗位現象出現的時刻，并修正電流的判斷極性，使死區效應得到準確的補償。通過實驗結果證實了該方法的可行性。
參考文獻：
[1]魏學森，嚴長輝，馬小亮，等.基于FPGA的三電平逆變器死區補償方法研究[J].電力電子技術，2005，39(5)：24-27.
[2]王高林，于泳，楊榮峰，等.感應電機空間矢量PWM控制逆變器死區效應補償[J].中國電機工程學報，2008，28(15)：79-83.
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