一种动态电压恢复器关键实验方法的研究

徐 杰 黄时棚 汪石农 田 丽

(安徽工程大学电气工程学院， 安徽 芜湖 241000)

随着科技的不断发展，用户对供电质量的要求越来越高，因为越来越多的用户端是基于计算机和微处理器的敏感用电设备。供电电源存在几个不稳定的周期(等同于停电)，它会对敏感负荷带来不确定的运行结果[1,2]。供电系统中的电压升降突变、瞬时断电等电能质量问题，在敏感用电设备上会表现得更为突出。瞬态补偿是提高系统电能质量的重要方法之一。动态电压恢复器(DVR)可以通过其瞬态补偿功能在一定程度上克服动态电压质量问题，对此已经有学者进行了相关研究，并取得了一定成果[2-4]。

在DVR系统中，IGBT通断性能的测试，对动态电压恢复系统的研究具有重要意义。本次研究，将提出一种双电源供电的DVR实验方法，包括IGBT模块测试、密勒平台性能测试、逆变模块实验3个部分。

1 双电源DVR系统模型

DVR系统的主电路结构由整流器、直流滤波电容、逆变器、交流LC滤波器组成[5]。为保证输出电压的稳定性，采用双电源供电，即在电源和整流电路部分接入2个不同的电源。DVR的电路拓扑如图1所示，其中ui1、ui2为2个不同电压的电源。

该系统可由下列方程组来描述。

图1 双电源DVR系统电路拓扑

u0=ui1+uc

式中：is为线路电流；uv为逆变器输出电压；u0为线路输出电压；ic为Cf上的电流，Cf为滤波器电容；iL为滤波器电感电流；Lf为滤波器电感；L为输出端等效电感；uc为电容侧两端电压；R为LC滤波器等效电阻。ui1、ui2为线路输入电压，其中ui1为线路不稳定的输入电压，ui2为线路稳定的输入电压。

2 实验方法

采用瞬态补偿法，研究运行状态下的网侧电压和负载电压的变化情况。对IGBT功率管进行通断导通实验，直流侧低电压输入15 V，负载为 1 000 W。

以单相逆变器实验平台(见图2)为基础。在此平台上，对单相全桥逆变、IGBT模块测试、采样模块进行实验验证。其中，主控芯片采用TI公司的 TMS320F2812PGFA芯片。利用电压传感器进行电压、频率信号采样。采样信号经信号控制电路调整到工作信号范围后再送入主控制器。主控制器输出的信号为驱动信号，经过隔离驱动电路输出，再输入到功率模块，控制开关管的通断[6]。

图2 逆变器实验平台

通过事件管理器模块进行相关程序测试，以驱动电路实现对功率开关率的控制。根据IGBT功率器件的通断频率要求，保持功率开关管上下为互补导通状态，分别驱动桥臂上的2个功率开关管。实验死区时间，设置为等于或大于8 μs，以保证开关管的有效通断，避免上下管同时导通。

3 实验方案

双电源DVR系统的性能主要决定于IGBT模块的性能，单相逆变器为其主要构成部分。实验中，直流侧输入电压为15V，导通时对IGBT输入不同频率的控制信号。

3.1 IGBT模块实验

用2个2桥IGBT构成单相逆变模块，VT1和VT2为IGBT模块1，VT3和VT4为IGBT模块2(见图1)。图3标出了IGBT模块的引脚。其中，引脚4、5控制IGBT上桥信号，引脚6、7控制IGBT下桥信号。将引脚2、3并接，引脚2接负极，引脚3接正极。

IGBT模块的工作参数如下：

在导通延迟时段，电源电压VCC为600 V，门极发射极电压VGE为15 V，ic为100 A，开通等效电阻RGon为6.8 Ω，最大导通时间260 ns。

在脉冲触发上升沿时段，VCC为600 V，VGE为15 V，ic为100 A，关断等效电阻RGoff为6.8 Ω，最大上升时间160 ns。

在关断延迟时段，VCC为600 V，VGE为 -15 V，ic为100 A，RGoff为6.8 Ω，最大关断延迟时间600 ns。

在下降时段，VCC为600 V，VGE为 -15 V，ic为100 A，RGoff为6.8 Ω，最大下降时间100 ns。

图3 IGBT模块引脚图

针对IGBT模块，搭建密勒实验平台(见图4)。通过密勒平台测试，比较输入信号和输出信号的变化。

图4 密勒实验平台

逆变模块实验平台与密勒实验平台相同。

实验步骤如下：

(1) 进行IGBT模块信号实验。

(2) 进行密勒平台性能测试实验。如果得到的数据误差较大，则重复步骤(1)。

(3) 进行逆变实验平台测试。如果得到的数据误差较大，则重复步骤(1)和步骤(2)，或者重新搭建IGBT模块。

(4) 进行DVR系统整体试验。重复前3个步骤，直到所得参数符合要求。

4 实验结果分析

4.1 同步采样实验结果

对220 V、50 Hz输入交流电压进行采样[6]。图5所示为锁相环回路中的输入电压波形，被测输入电压波形经电压传感器VSM025A，再通过比较器LM339，变为同频率的方波。图6所示是相位比较器输出波形和锁相环内部压控振荡器脉冲波形。

图5 锁相环回路中的输入电压波形

图6 锁相环回路中的比较波形

由实验输出波形可知，同步采样模块获得了稳定平滑的电压信号和同步采样方波，脉冲波形稳定。这说明采样模块性能稳定。

4.2 IGBT密勒平台性能实验结果

分别对IGBT模块的上桥和下桥进行通断测试。(1)输入设置：PWM输入，3.3 V，10 kHz，其中PWM波形上升时间在1 μs,下降时间1 μs。结果显示，IGBT模块1上桥上升沿时间用了4 μs，下降沿时间用了4 μs。(2)输入设置：PWM输入，3.3 V，5 kHz。结果显示，IGBT模块1上桥上升沿时间用了4 μs，下降沿时间用了4 μs。

从实验波形可知，IGBT模块1下桥在同样的两种PWM输入设置下，IGBT模块1下桥上升沿时间用了4 μs，下降沿时间用了4 μs，其上桥和下桥的通断时间均在4 μs内。改变输入频率，没有使得通断时间产生变化。

为避免IGBT模块上桥和下桥同时导通，也为了提高密勒平台性能，设置的系统死区时间参数为8 μs。但提高频率前后，模块的开通和关断时间并没有改变。这说明，在一定范围内的频率变化对开关时间没有影响。

4.3 逆变模块实验结果

实验设置：(1)PWM输入，3.3 V，5 kHz，直流侧电压为15 V。逆变端输出波形，如图7a所示(图7b为其局部放大图)。图中显示，在4×500 ns后信号进入稳定状态。(2)PWM输入，3.3 V，10 kHz，直流侧电压为15 V。逆变端输出信号如图7c所示(图7d为其局部放大图)。由图可知，信号在6×500 ns后进入稳定状态。与第(1)种情况相比，逆变波形进入稳定状态的时间较长。

输入设置频率的改变，使得逆变端输出波形的稳定时间产生了变化。输入的频率增大后，延长了逆变端输出波形进入稳定状态的时间。这说明在电压幅值相同的情况下，不同频率的输入信号，对逆变输出信号的稳定时间会产生一定影响，频率增加就会延长逆变输出信号的稳定时间。

5 结 语

采用单相双电源DVR系统，可以提高DVR系统的稳定能力，从而保证用户端敏感负载的正常运行。搭建IGBT模块测试、逆变电路实验平台，进行了同步采样实验、IGBT密勒平台性能实验、逆变模块实验。实验结果表明，PWM输入波形在频率增加的情况下，对逆变输出的电压波形产生影响，在一定范围内频率的增加会延长逆变输出信号的稳定时间。

图7 逆变端输出波形