一种三电平逆变器死区补偿控制方法

摘要

一种三电平逆变器死区补偿控制方法，用于补偿由于死区导致的系统性能的下降。该方法首先根据三相三电平PWM逆变器的拓扑结构，设置相应的死区时间，并确定逆变器中功率器件的开通延时和关断延时；然后考虑逆变器的功率管管压降和箝位二极管的管压降，计算逆变器的输出对中点的电压通用表达式；之后，根据三相电流值和参考电压矢量所在的扇区，确定由功率管管压降和箝位二极管的管压降及功率管开通关断延时造成的电压误差与电流之间的关系系数，从而计算得到三电平PWM逆变器各相总的死区补偿时间。本发明充分考虑到死区时间、功率器件的开通关断延时以及管压降，解决了三电平逆变器中死区效应产生的电压和电流畸变问题，提高了系统性能。

主权项

一种三电平逆变器死区补偿控制方法，其特征在于：具体步骤为：①根据三相三电平PWM逆变器的拓扑结构，考虑开关器件完全关断所需的延迟时间，设置相应的死区时间T_d；②根据三相三电平PWM逆变器的功率器件，确定其开通延时T_on和关断延时T_off；③考虑三相三电平PWM逆变器的功率管管压降和箝位二极管的管压降，计算三相三电平PWM逆变器的输出对中点的电压通用表达式；中点箝位型三相三电平逆变器包括A、B、C三相桥臂，每相桥臂由4个IGBT开关管、4个续流二极管和两个箝位二极管组成，A相桥臂由4个具有反并联续流二极管的IGBT开关管S_a1、S_a2、S_a3、S_a4和两个箝位二极管D_a1、D_a2组成，S_a1的集电极与正母线P相连接，S_a1发射极与S_a2集电极相连接，S_a2发射极与S_a3集电极相连接，S_a3发射极与S_a4集电极相连接，S_a4发射极与负母线N相连接，S_a1发射极与D_a1阴极相连接，D_a1阳极与D_a2阴极相连接，D_a2阳极与S_a3发射极相连接，S_a2的发射极、S_a3的集电极与A相桥臂输出a相连接，D_a1的阳极、D_a2的阴极与直流母线中点O相连接，B相桥臂、C相桥臂连接方式与A相相同，其中P代表正母线、N代表负母线，O代表中点；S_a1、S_a2、S_a3、S_a4表示A相的4个开关管，D_a1和D_a2表示A相的2个箝位二极管，假设各IGBT管的管压降相同，续流二极管和箝位二极管的管压降相同，中点电压平衡即V_dc1＝V_dc2＝V_dc/2，当A相负载电流i_as＞0时，实际输出点a对中点O的电压为$V_{\mathrm{ao}}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}-{2V}_{\mathrm{ce}},$当S_a＝1时；V_ao＝‑V_d‑V_ce，当S_a＝0时；$V_{\mathrm{ao}}=-\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}-{2V}_d,$当S_a＝‑1时；式中，V_ce为IGBT管压降；V_d为二极管管压降；S_a为A相的开关函数，当S_a1管和S_a2管导通、S_a3管和S_a4管关断，输出端a连接到正母线P时，S_a＝1；当S_a2管和S_a3管导通、S_a1管和S_a4管关断，输出端a连接到中点O时，S_a＝0；当S_a3管和S_a4管导通、S_a1管和S_a2管关断，输出端a连接到负母线N时，S_a＝‑1；当i_as＜0时，实际输出点a对中点O的电压为$V_{\mathrm{ao}}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}+{2V}_d,$当S_a＝1时；V_ao＝V_d+V_ce，当S_a＝0时；$V_{\mathrm{ao}}=-\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2}+{2V}_{\mathrm{ce}},$当S_a＝‑1时；④考虑功率管管压降和箝位二极管的管压降随电流变大而增加的特点，将导通时的功率器件和箝位二极管等效为斜率电阻，计算三相三电平PWM逆变器运行在工作区时的功率器件和箝位二极管的管压降，之后更新步骤③得到的三相三电平PWM逆变器的输出对中点的电压通用表达式；假设在采样周期内电流方向不变，在考虑到管压降、开关状态和电流方向情况下，可得实际A相输出对中点的电压表达通式为：$V_{\mathrm{ao}}=S_a(\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}+V_d-V_{\mathrm{ce}})-\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{as}}\right)(V_{\mathrm{ce}}+V_d)$因为管压降会随着电流的变大而增加，可以将导通时的功率器件等效成一个斜率电阻，则运行在正常工作区的功率器件的管压降分别为V_ce＝V_ce0+r_ce|i_as|V_d＝V_d0+r_d|i_as|其中，V_ce0、V_d0为管压降阀值；r_ce、r_d为导通时的斜率电阻，根据上面各式，可得：$V_{\mathrm{ao}}=S_a(\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}+V_d-V_{\mathrm{ce}})-(V_{\mathrm{ce}0}+V_{d0})\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{as}}\right)-(r_{\mathrm{ce}}+r_d)i_{\mathrm{as}}$同理得其他两相输出到中点的等效电压V_bo和V_co；⑤根据三相电流值和参考电压矢量角所在的扇区，确定由功率管管压降和箝位二极管的管压降及功率管开通关断延时造成的电压误差与电流之间的关系系数k，k的确定方法为：(i)当参考电压矢量角处在0°～60°时，$k=\frac{(V_{\mathrm{ce}0}+V_{d0})}{{2i}_{\mathrm{as}}+i_{\mathrm{bs}}-i_{\mathrm{cs}}}{M}_i$(ii)当参考电压矢量角处在60°～120°时，$k=\frac{(V_{\mathrm{ce}0}+V_{d0})}{i_{\mathrm{as}}}{M}_i$(iii)当参考电压矢量角处在120°～180°时，$k=\frac{(V_{\mathrm{ce}0}+V_{d0})}{{2i}_{\mathrm{as}}-i_{\mathrm{bs}}+i_{\mathrm{cs}}}{M}_i$(iv)当参考电压矢量角处在180°～240°时，$k=\frac{(V_{\mathrm{ce}0}+V_{d0})}{-{2i}_{\mathrm{as}}-i_{\mathrm{bs}}+i_{\mathrm{cs}}}{M}_i$(v)当参考电压矢量角处在240°～300°时，$k=\frac{(V_{\mathrm{ce}0}+V_{d0})}{{-i}_{\mathrm{as}}}{M}_i$(vi)当参考电压矢量角处在300°～360°时，$k=\frac{(V_{\mathrm{ce}0}+V_{d0})}{-{2i}_{\mathrm{as}}+i_{\mathrm{bs}}-i_{\mathrm{cs}}}{M}_i$式中V_ce0、V_d0分别为功率管的管压降阀值和箝位二极管的管压降阀值；i_as、i_bs、i_cs分别为三相负载的电流，M_i＝[2sign(i_as)‑sign(i_bs)‑sign(i_cs)]，其中$\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{as}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& (i_{\mathrm{as}}>0)\\ -1& (i_{\mathrm{as}}<0)\end{array}\right.,\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{bs}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& (i_{\mathrm{bs}}>0)\\ -1& (i_{\mathrm{bs}}<0)\end{array}\right.,\mathrm{sign}\left(i_{\mathrm{cs}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& (i_{\mathrm{cs}}>0)\\ -1& (i_{\mathrm{cs}}<0)\end{array}\right.;$⑥根据步骤①设置的死区时间T_d、步骤②确定的功率器件的开通延时T_on和关断延时T_off以及步骤⑤得到的关系系数k，计算三相三电平PWM逆变器A相总的死区补偿时间同理可得B、C相总的补偿时间分别为$T_{\mathrm{com}\_b}=\frac{T_{\mathrm{on}}-T_{\mathrm{off}}+T_d}{2}+k\frac{\left|i_{\mathrm{bs}}\right|}{V_{\mathrm{dc}}}{T}_s,T_{\mathrm{com}\_c}=\frac{T_{\mathrm{on}}-T_{\mathrm{off}}+T_d}{2}+k\frac{\left|i_{\mathrm{cs}}\right|}{V_{\mathrm{dc}}}{T}_s,$通过系统反馈控制实现对死区的补偿，式中T_s为载波周期。