三电平逆变器死区补偿策略研究

周京华， 贾斌， 章小卫， 李正熙

(北方工业大学北京市变频技术工程研究中心，北京100144)

0 引言

三电平拓扑结构具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小等优点，使得三电平结构在高压大功率交流电机变频调速领域得到了广泛的应用［1－2］。

为防止逆变器桥臂直通，必须在同一桥臂互补的触发信号中加入死区［3－4］，以保证同桥臂上开关管可靠关断后，与之互补的开关管才能导通。但由于死区时间的引入，导致系统控制性能变差，输出电压与电流发生畸变，特别是低速时可能会导致电动机发生机械谐振。为了克服上述缺点，需要对死区进行补偿［5］。

文献［6］中提出了一种应用在两电平逆变器装置中较好的死区补偿的方法，将死区时间、IGBT开通和关断时间、IGBT及续流二极管的管压降等都考虑到。文献［7］给出了一种基于FPGA的三电平逆变器死区补偿方法，但没有考虑IGBT管压降及开关时间对死区补偿的影响。文献［8］基于空间矢量调制，提出一种三电平死区补偿策略，但没有考虑到开关器件的导通压降。文献［9］所给出的三电平死区补偿策略没有考虑功率器件的开关延时。

本文针对三电平逆变器，根据伏秒等效原理，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，提出一种新型的三电平逆变器死区补偿算法，并通过实验进行了验证。

1 三电平逆变器死区补偿原理

1.1 死区时间及开关延时补偿

针对三相三电平PWM逆变器带感应电机拓扑结构(图1)，以A相为例分析死区补偿策略(规定电流流向电机的方向为正方向)。

图1 三相三电平PWM逆变器拓扑图Fig．1 Three-phase three-level PWM inverter

假设Uas为正，Sa2一直导通，Sa4一直关断。图2(a)是由A相电压参考值Uas与载波进行比较得到的(对称规则采样)A相Sa1管和Sa3管在没有设置死区情况下的理想脉冲。图2(b)为电流为正时，设置了死区时间Td情况下的补偿策略。理想情况下Sa1管应在T1时刻开通，T2时刻关断;Sa3管应在T1时刻关断，T2时刻开通。补偿 Tcom时间后，Sa1管在T1－Tcom+Td时刻延迟开通，在T2+Tcom时刻延迟关断;Sa3管在T1－Tcom时刻提前关断，在T2+Tcom+Td时刻延迟开通。图2(c)为考虑到功率器件的开通延时Ton和关断延时Toff，实际输出的A相对中点O的电压Uao。图2(d)为等效输出A相对中点O的电压Uao，开通延时定义为开关控制信号开通到实际功率器件开通的时间间隔，它包括了驱动电路的信号延迟时间和功率器件的开通延迟。关断延时的定义与开通延时类似。

图2 死区补偿策略Fig．2 Dead-time compensation strategy

图2(a)中Sa1管的理想开通时间为T2－T1，而图2(d)中Sa1管的等效实际开通时间为T2－T1－Ton+Toff－ Td+2Tcom。

误差时间为

当参考相电压为负时，Sa3一直导通，Sa1一直关断，同理分析所得结论与式(1)～式(4)一致。

由式(1)～式(4)可以看出，由于死区时间、IGBT开通和关断延时的影响，实际有效导通时间跟理想导通时间差距较大，可以通过改变补偿时间Tcom来控制误差时间。

1.2 管压降补偿

死区时间一般是由软件进行设置，数值固定不变，而功率器件如IGBT和二极管的管压降随负载电流的变化而变化，难以量化，是死区补偿需要重点考虑的问题。

表1为理想状况下，不同开关状态对应的输出对中点的电压。但实际中由于功率器件两端存在电位差，输出对中点的电压与理想值会出现偏差。

表1 输出对中点电压和开关状态表Table 1 Output-to-midpoint voltage and table of switch status

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Vdc1=Vdc2=Vdc/2。以A相为例，当ias＞0时，实际输出点a对中点O的电压为

同理得其他两相输出到中点的等效电压Vbo和Vco。

对于三相对称的负载有

2 实验结果分析

基于DSP与CPLD，构建了三电平逆变器控制系统硬件平台，如图3所示。

图3 三电平逆变器控制系统Fig．3 Control system of three-level inverter

在图3所示的硬件平台上进行了开环V/F控制的实验，整流侧采用不控整流电路，输入线电压为380 V，逆变器采用SVPWM调制方式，负载为30kW异步电机。开关频率为1 kHz，采样时间为1 ms，设置的死区时间为10 μs。实验主要验证死区补偿算法的正确性。

图4为流入电机的A、B、C三相电流，经2s/3s变换后得到的Iα、Iβ波形和它们的李萨如(Lissajous)图形。

图4 Iα、Iβ电流波形及其李萨如图形Fig．4 Current waveform of Iα，Iβ and Lissajous figure

图4(a)和图4(b)分别为2 Hz时加入死区补偿算法前后的波形。加入死区补偿算法后电流波形明显好转，Iα、Iβ的李萨如图形也更圆。

图4(c)和图4(d)分别为5 Hz时加入死区补偿算法前后的波形。从图中可见，加入死区补偿后，电流波形变好。

在加入考虑开关延时、管压降的死区补偿算法前后，实测的输出线电压如表2所示。

表2 死区补偿前后输出线电压Table2 Output line voltage before and after dead-time compensation

从表2可以看出，在加入死区补偿算法后，实测线电压也有大约4V的提升，补偿了由死区效应引起的电压损失。

3 结语

本文针对三电平逆变器中死区效应产生的电压和电流畸变问题，从死区时间、功率器件的开通关断延时及管压降方面，对死区补偿进行了分析，提出了一种新型的三电平死区补偿策略。实验结果表明在低频下加入死区补偿算法，三电平逆变器输出电流波形明显改善，实际输出线电压也有所升高，证明了该方法的正确性和有效性。

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