一种容错型逆变器的设计

徐 鹏，施火泉，刘会超

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡214122）

一种容错型逆变器的设计

徐 鹏，施火泉，刘会超

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡214122）

针对变频器功率开关管容易发生单相短路及开路故障的现状，采用意法半导体公司的STM32F103VBT6设计了一种容错型逆变器。通过对实验平台的测试得出变频器在发生故障以后，能够在三相四开关SVPWM状态下正常工作，增加了变频驱动系统的可靠性。

逆变器；容错；三相四开关PWM算法

电压源PWM逆变器[1]作为功率变换设备性能及其优良，利用其供电的电机已经是工业自动化中最常见的设备[2-3]。由于工况复杂，变频器会发生各种故障。最容易发生的是功率开关管的开路和短路[4-7]。功率器件故障会增加其他元器件的电流应力，若长时间无人维护甚至造成二次损坏，严重时造成整个系统瘫痪[8-11]。由于电压源逆变器在逆变前端直流侧采用两个较大的电解电容串联来增加电容的耐压和进行平波。只要利用双向晶闸管连接串联电容的中点，就能和剩余两相桥臂构成新的三相四开关逆变电路[11-15]。

1 总体设计

容错系统如图1所示，利用电流检测电路采集电机的相电流值，同时由光电编码器采集转子速度、位置信号。传感器输出信号送入STM32构成闭环控制。通过检测电流采样值的正常与故障之间的差值，来投切双向晶闸管进行容错。直流母线检测电路检测到的母线电压，一方面用于SVPWM计算，另一方面用于过压保护。

图1 系统总体结构图

2 驱动电路设计

MOSFET驱动电路设计非常重要，驱动电路能够将STM32的低电压控制信号转换为MOSFET管所需的驱动信号。功率开关管的开关特性，直接影响整个系统的优劣。虽然MOSFET门极驱动电压越高可以使其通态阻抗变小，但是过高的门极驱动电压会使MOSFET的开通关断时间变长，增加开关损耗。针对以上情况往往对MOSFET的驱动电路提出快速上升、下降的驱动脉冲；较小的输出电阻；足够的幅值；良好的电气隔离等一系列要求。

IR2110是由IR公司推出的MOSFET的集成驱动器电路，具有栅极驱动、高压、高速单片式等卓越的特点，一片IR2110可以驱动一相桥臂。IR2110通过自举电容为高端桥臂产生悬浮的驱动电源，这样高低端桥臂共同使用一个外接的驱动电源，极大简化了电源电路。当栅极驱动电压过低时，IR2110内置的欠压锁定功能强制输出低电平，用于电机过流保护等场合。

图2 IR2110驱动电路

IR2110驱动电路如图2所示，变频器总共只需要3片IR2110进行驱动。D33、C81分别为自举电容与快速二极管。当桥臂上端MOSFET的源极和下端MOSFET的漏极相连时，假设此时自举电容C81已经充电完毕拥有足够电压，当 C+高电平时，上端MOSFET导通而下端MOSFET关闭。自举电容C81的电压加到桥臂上端MOSFET的栅极和源极之间。自举电容C81通过IR2110与上端MOSFET的栅极构成充电回路。当C+为低电平时，由于VS通过下端的MOSFET接地，自举电容由二极管D33进行充电，为其补充能量如此循环。

3 电流检测与保护电路

在电机闭环驱动系统中，由于采用电流环控制其转矩，使转矩变化能得到快速响应。因此需要对电流进行检测，在PWM功率电路中，电流检测的方式主要为以下两种：

1）对功率桥臂进行电流采样。利用采样电阻直接采集MOSFET桥臂的相电流值，或者利用电流传感器来进行桥臂相电流采集。

2）对母线电流采集。采集三相电流时需要结合一定的算法还原出各相的电流，以进行电流闭环控制。

由于采用直流母线取样的方式，需要利用算法对每相电流进行重构。由于故障前后算法不同，使这种方法在三相四开关系统内十分不便。选用对功率桥臂直接进行电流采样的方案简洁可行。若利用下桥臂串联电阻来进行来进行电流采样，可以减小设计成本的同时有利于保护电路的搭建。但是通过下桥臂采样的电流信号由于受非线性元件的影响，会产生一定畸变。为了避免这种畸变，常常利用两相较大的采样值合成最小一相采样值。由于功率变换器发生故障时，无法通过采样电阻检测故障相电流。所以下桥臂串联电阻采样的方式也不适用。本系统直接利用电流传感器对桥臂相电流进行采样。ACS712内部集成精密的霍尔传感器电路，输出为与检测交流电成比例的电压。其本身具有集成芯片的输出灵敏度比较高、绝缘性好等特点。而且因为芯片内阻为mΩ级，所以芯片的功率损耗也比较小。ACS712可以在高达5 A的过电流条件下运行。

图3 ACS712电流测量图

ACS712运行稳定，随着温度的变化（-40～+150℃）基本上不影响器件精度。输出电压Uout和检测电流IP的关系可以写成如下形式：

当芯片的5（VCC）接上5 V电压，流过器件的电流为0 A时，输出电压并不是0 V而是2.5 V，故此在计算的时候需要注意。而这一特性刚好满足了交流电流的变化。因此该器件能够测量交流电流。为了能使芯片引脚能够承受系统最大电流，特此将芯片的 1、2（IP+）脚短接在一起，3、4（IP-）脚短接在一起，短接后连接到测试口，测试电流时只需将P9串联到被测电路中即可。给芯片8脚（GND）接地和5脚（VCC）供电上5 V电压，在7脚接上一个1 nF电容器就可增加频带宽度和抗干扰能力。输出的电压经过电阻分压后，由运放构成的电压跟随器送入STM32进行计算。

4 电压检测和保护电路

SVPWM需要用到直流母线的采样值，计算每个基本矢量的占空比。过、欠压保护同样需要用到母线电压。当电机制动时，电机给定转速将大于实际转速，电机处于发电机状态。电机将能量通过续流二极管馈能给直流侧，直流母线电压升高，直流母线电压升高将会损坏功率开关管。直流母线电压检测电路采用电阻分压检测的方法。电阻R164上的电压为分压后的检测信号，经过电阻R213和C102的低通滤波和电压跟随器送入STM32的AD采样口。

图4 电压检测电路

电压保护电路通过设定电压上限值和下限值使电机驱动系统正常工作。实际工作时，通常将电压上限设定为工作电压的130%，为343 V。当直流母线上的电压大于电压上限的时候，为保护系统，比较器LM393输出低电平将制动电阻接入。当直流母线上的电压小于电压下限的时候，切去制动电阻，当母线电压正好位于上下限之间则保持原状态不动，避免过多开关切换。

5 三相四开关SVPWM的实现

容错变频器软件算法和硬件拓扑结合的过程中，最重要的是其SVPWM的实现方式。由于变频器的一相故障，故障桥臂被隔离，再也无法像传统六开关逆变器一样利用6个有效矢量进行空间向量的合成。为此，提出在隔离一相桥臂的基础上，对逆变器进行重构。在此基础上提出三相四开关的算法。如图4所示，三相四开关逆变器由隔离后剩下的两相健康桥臂和一组电容桥臂构成。

以A相故障为例。故障后新的拓扑由母线串联电容中点电压代替原来的桥臂对A相绕组供电，由B相和C相分别控制T2、T5、T3、T6的通断。用“1”代表同一桥臂中功率器件上、下管导通，用“0”代表关断。电机为Y型绕组的分布

以开关状态（SB，SC）为（0，0）为例进行分析。当不考虑母线电容中点电压波动时，由于每个电容电压为Udc/2，相电压为UAN=Udc/3，UBN=UCN=-Udc/6。同理可求得SBSC=01、SBSC=10、SBSC=11时各绕组的相电压，通过将不同开关状态下电机的相电压代入至式（2）之中，可以得到三相四开关状态下4组基本矢量。利用基本电压进行矢量组合来合成参考矢量进而对电机进行控制。式（3）中为两相静止αβ坐标轴下各相基本电压大小与开关状态SB、SC的关系。

图5 逆变器容错拓扑

由式（2）、（3）对空间矢量定义可知：三相四开关SVPWM状态下的空间基本电压矢量在αβ坐标轴下的投影与开关模式的关系如图5所示，由于只有4个开关状态。所以基本矢量将αβ矢量空间划分成4个区域，与三相六开关SVPWM不同的是4个基本矢量幅值并不完全相等：。图5中空间基本电压矢量的不对称分布，使基本矢量的顶点连线组成一个菱形，也使电机磁链控制难度变大和自由度降低。

Uref为给定的参考矢量，在两相坐标系内α轴和β轴上的投影直接影响各基本矢量的作用时间。只要通过B、C两相功率开关管的切换，使基本矢量在每个扇区进行合理切换就能够得到参考电压Uref。其形成的磁场矢量方向与电压矢量相差π/2相位角。

图6 基本矢量图

图7 四开关SVPWM算法流程

图6是三相四开关SVPWM的实现算法。首先得到参考电压uα和uβ。利用给定参考电压判断参考电压矢量所在扇区，确定扇区之后就可以利用基本电压空间矢量来合成参考电压；按照不同的SVPWM模式分配基本矢量。最后与三角波进行PWM调制，得到4个功率管所需的开关信号（SB、SC）。

6 实验结果

为了验证所提容错控制方法的正确性，通过断开一相桥臂信号线进行验证。除在切换时有一些毛刺之外电机电流无明显畸变，切换后电流脉动仅略有增加。说明三相四开关SVPWM在解决电机功率开关开路、短路故障上具有较好的可行性。

7 结 论

利用三相四开关SVPWM结合晶闸管能够使无容错能力的电压型PWM逆变器具有对单相桥臂故障的容错能力。由于只增加一组低成本、易触发的双向晶闸管，其余硬件变化不大，所以具有装置成本低等特点。

图8 电机相电流

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Design of a fault-tolerant inverter

XU Peng，SHI Huo-quan，LIU Hui-chao
（School of IOT Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

A kind of fault-tolerant inverter with STM32F103VBT6 is designed to solve short-circuit and open-circuit fault.Through the test of the platform，it is proved that the inverter can work under threephase four-switch SVPWM.It increases the reliability of the variable frequency drive system.

inverter；fault tolerance；four-switch three-phase SVPWM

TN773

A

1674-6236（2017）09-0149-04

2016-02-22稿件编号：201602090

徐 鹏（1990—），男，江苏无锡人，硕士。研究方向：电力电子与电力传动。