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五电平逆变器死区补偿研究
摘 要：本文分析了五电平逆变器“死区效应”，分析了一种基于脉冲自身的死区补偿策略，同时采用了一种改进的坐标变换法解决零电流箝位现象。最后通过实验对本文中的死区补偿方法予以验证，实验结果证实了该方法的可行性。
关键词：五电平逆变器;零电流钳位;死区补偿
引言
由功率器件的开关特性可知，功率开关管存在开通及关断延时。三相电压源型逆变器，为了避免由于器件特性可能引起的桥臂直通现象[1]，需要在逆变器桥臂触发信号中设置一定的死区时间。死区能够保障开关器件的安全运行，但会致使理想的触发脉冲与实际输出脉冲之间存在一定的偏差，从而引起了逆变器的“死区效应”。死区导致逆变器输出电压产生偏差，电流波形严重畸变。在高压大功率场合，由于IGBT，IGCT开关延时相对低压开关器件较长，需要设置更长的死区时间，死区效应对逆变器的输出影响更加严重。
为了消除补偿死区效应带来的影响，国内外学者进行了很多死区补偿方法研究。这些方法一般分为两类：一类是基于平均误差电压的补偿方法，另一类是基于触发脉冲本身的死区补偿方法。第一类补偿方法容易实现，但是逆变器实际输出与理想输出存在一定的相位差，补偿不够精确，随后有学者提出了电压的补偿的改进方法，在补偿策略中把功率器件以及续流二极管的压降纳入考虑范围;第二类方法可以做到对死区效应的精确补偿，但对控制器提出了很高要求，控制器在一个PWM周期内需要实现两次采样[2]。此外，死区补偿中各相电流极性的鉴别十分重要，出现零电流钳位现象时造成电流方向判断不准确会导致误补偿，因此需要采用一定的方法对其进行处理。本文采用了一种基于脉冲自身的死区补偿策略，能够达到精确补偿的效果，且与传统方法相比不需要在控制器中设置一定的死区时间。
一、五电平的死区设置及死区效应
如图1所示是单相二极管箝位式五电平逆变器主电路。五电平逆变器每相桥臂有五种开关状态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]。逆变器各桥臂开关状态按照上述五种状态依次过渡，不存在跳跃式过渡，如P2直接过渡到O。以A相为例，考虑开关特性，加入D1、D2、D3、D4四种死区状态，结合图1分析五电平逆变器加入死区后具体过渡过程如下：
P2→P1过渡，先断Sa1，后开通Sa5;P1→P2过渡，先断Sa5，后开通Sa1;P1→O过渡，先断Sa2，后开通Sa6;O→P1过渡，先断Sa6，后开通Sa2;O→N1过渡，先断Sa3，后开通Sa7;N1→O过渡，先断Sa7，后开通Sa3;N1→N2过渡，先断Sa4，后开通Sa8;N2→N1过渡，先断Sa8，后开通Sa4;根据上述规律，总结加入死区状态后开关状态与逆变桥电流方向关系如表1所示。
以A相死区状态D1为例，图2示出了死区状态对逆变器输出的影响，规定电流流出逆变桥的方向为正方向，流入为负方向。
图2中，(a)为A相上桥臂Sa1与下桥臂Sa5两个开关管的理想触发信号;(b)为加入死区时两个开关管触发信号;(c)为未设置死区时的理想输出电压uan;(d)为ia>0时的实际输出电压uan1;(e)为ia<0时的实际输出电压uan2。从图中可以看出，加入死区后A相电压产生偏差，当电流大于零时缺失了一个宽度为td(死区时间)的电压脉冲，当电流小于零时增加了一个宽度为td的电压脉冲。同理，其他三个死区状态也会带来类似的影响，这里就不再予以分析。若开关频率不变，死区时间设置的越大，电压偏差也越大，“死区效应”也更为严重。
二、基于脉冲的死区补偿原理
对图1分析可知，当ia>0时，若开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4的驱动信号为高电平，输出状态为P2;若Sa1的驱动信号为低电平，Sa2、Sa3、Sa4的驱动信号为高电平，Da1续流，输出状态为P1，此时即使Sa5的驱动信号为高电平，也不会导通。由此可见，在ia>0时，输出状态P2仅由Sa1决定。同理可得，在ia<0时，输出状态P2仅由Sa5决定，输出其他电平时与此类似。
前文已经讨论了死区补偿的基本方法，本文采用基于脉冲本身的死区补偿方法。仍以A相的死区状态D1为例对本文所提的死区补偿方法进行分析。基于前文分析，可得输出电平在P2、P1间切换时的死区补偿原理如图2所示。图2(a)为未设置死区时Sa1、Sa5的理想驱动信号。当设置死区后应根据桥臂电流的方向对死区予以补偿，若ia>0时，保持开关管Sa1的驱动信号不变，Sa5的驱动信号提前td关断并延迟td开通，如图3(b)所示;若ia<0时，Sa5的驱动信号不变，上桥臂开关管Sa5的驱动信号延迟td开通并提前td关断，如图3(c)所示。图3中的(d)为理想状态下的输出电压uan;(e)为经过本文死区补偿后的实际输出电压uan1。不难看出，uan和uan1波形一致，从而消除了“死区效应”引起的偏差。其他相以及其他输出状态间的转换的死区补偿原理与A相D1状态类似。
三、电流极性鉴别及零电流钳位处理
前文的死区补偿原理建立在正确判断逆变器桥臂电流方向，然后根据电流方向及死区状态进行补偿。因此，正确鉴别电流方向十分重要，否则会造成死区的误补偿，致使输出电压偏差更大。本文采用一种间接的方法判断相电流的方向[3]。将三相负载电流ia、ib和ic通过Clark和Park变换到d-q同步旋转坐标系下，由于转矩电流id和励磁电流iq分别为直流分量，因此，很容易运用低通滤波器将高次谐波和噪音过滤掉。根据矢量角θi可将α-β静止坐标系分成六个扇区，如图4所示。
具体的矢量角与电流的方向如表2所示。
表2 电流矢量角与电流的方向关系
通过判断将三相电流合成电流矢量的d-q坐标系中的矢量角，然后再经过查表就可以鉴别出三相电流的极性，从而进行相应的死区补偿。
零电流钳位现象及处理方案：
因为死区时间td设置较短，单个死区时间内的零电流钳位不会对系统运行产生较大影响，然而在死区时间内，电流通过二极管续流具有减少的趋势，若电流减小至0，低频输出时非常明显，在下一个死区带来后二极管反向阻断，电流被钳位到0，这种现象称为零电流钳位现象。
由前文可知电流极性的鉴别在死区补偿中十分重要，鉴别错误会使死区补偿过程中的触发脉冲调整错误，进一步使逆变器输出电压恶化。因此，准确判断零电流钳位现象，并采取一定的处理方案使系统快速通过零电流区域将变得十分关键。一般可采用反电动势估计法，预测电流控制法。为了不考虑增加硬件成本，本文在文献[4]所提的一种针对电压补偿法的零电流钳位处理方法的基础上予以改进，采用电流坐标变换的方法，可以准确检测出零电流钳位时刻，并改变电流极性的判断结果，使死区得到准确的补偿。
本文先取各相电流大小相应的符号函数值，方向不变，然后将其由a-b-c坐标系下变换到新的坐标系dI-qI下，如图5所示。
图5中，α-β为旋转坐标系;d-q为同步旋转坐标系;θ为矢量控制中的定向角;dI-qI为新的电流坐标系，θI为电流矢量与α轴的夹角。
θI=arctan(iβ*/iα*)(1)
把a-b-c坐标系下的电流取符号函数并变换到dI-qI坐标系下：
仿真结果如图5所示，将三相电流取符号函数并变换到的dI-qI坐标系中，则在dI轴的分量id*为三倍基频的锯齿波(峰值为±0.816)，而在qI轴的分量iq*为三倍基频的脉动直流量。可以通过比较id*与其峰值大小来判断是否出现零电流钳位，若有零电流钳位出现，需要对电流极性进行相应的修正。
零电流钳位现象处理步骤：
(1)取a-b-c三相电流的符号函数得到sgn(ia)、sgn(ib)、sgn(ic)，通过坐标变换到dI-qI坐标系中;
(2)将dI轴分id*与理论幅值比较，若超出理论值范围则出现零电流钳位，否则没有零电流钳位;
(3)若出现零电流钳位，比较ia、ib、ic的大小，然后改变绝对值最小相的电流极性。
四、死区补偿仿真研究与实验验证
仿真参数：Vdc=200V，直流侧电容为C=2200μF，系统频率为5kHz，输出频率f=50Hz，死区时间设置为5μs。
(a)零电流钳位时的相电流
(b)零电流钳位时dI-qI轴分量
(c)经过零电流钳位处理后的相电流
(d)经过零电流钳位处理后dI-qI轴分量
根据前面五电平死区补偿及零电流钳位处理的理论分析，结合二极管钳位型五电平逆变器实验平台进行死区补偿的相关实验，实验参数与仿真参数相同。
(a)未加入死区补偿时电流波形
(b)加入死区补偿时电流波形
图7为死区补偿前后的A相电流波形。图7(a)为加入死区不补偿时的相电流，图7(b)为采用本文死区补偿方法后的相电流波形。由实验波形可知，通过本文所提方法进行死区补偿后，相电流畸变率降低，正弦度得到很大的改善，零电流钳位效应得到抑制，验证了本文补偿方法的正确性。
五、结论
本文分析了五电平逆变器“死区效应”，采用一种基于脉冲本身的死区补偿方法对死区设置后带来的误差进行补偿。采用了电流矢量的空间位置分布对各相电流极性进行鉴别，同时采用了一种改进型的零电流钳位处理方法，该方法可以检测零电流钳位现象出现的时刻，并修正电流的判断极性，使死区效应得到准确的补偿。通过实验结果证实了该方法的可行性。
参考文献：
[1]魏学森，严长辉，马小亮，等.基于FPGA的三电平逆变器死区补偿方法研究[J].电力电子技术，2005，39(5)：24-27.
[2]王高林，于泳，杨荣峰，等.感应电机空间矢量PWM控制逆变器死区效应补偿[J].中国电机工程学报，2008，28(15)：79-83.
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