CN109818515A

CN109818515A - 一种三电平逆变器无死区空间矢量脉宽调制方法

Info

Publication number: CN109818515A
Application number: CN201910301090.0A
Authority: CN
Inventors: 宋崇辉; 刁乃哲; 孙先瑞; 胡志伟; 李坤; 张强
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-05-28
Anticipated expiration: 2039-04-15
Also published as: CN109818515B

Abstract

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种三电平逆变器无死区空间矢量脉宽调制方法。该方法包括：每一相中，当电流为正向电流时，在t∈[t₁,t₂]时间内，将第三开关管提前t_d时间关断，第一开关管正常导通，其中，t_d＝t₂‑t₁；当电流为负向电流时，在t∈[t₃,t₄]时间内，将第一开关管提前t_d时间关断，第二开关管正常导通，其中，t_d＝t₄‑t₃；其余时间仍遵循传统的三电平空间矢量脉宽调制方法；根据“伏秒平衡”原理，得到调制时间，将调制时间与三角载波进行比较生成三相PWM驱动信号，通过三相PWM驱动信号消除空间矢量脉宽调制的死区效应。该方法采用多调制时间与三角波比较，根据三相电流的方向，加上简单的逻辑运算，导出开关管的驱动信号，取消了传统意义上的死区设置。

Description

一种三电平逆变器无死区空间矢量脉宽调制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种三电平逆变器无死区空间矢量脉宽调制方法。

背景技术

空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术是一种很有实用价值的脉冲宽度调制(PWM)方法。它广泛应用于数字控制的电压源型逆变器中。理想的SVPWM方法假设开关管为理想开关管，即能够瞬间导通和瞬间关断(开通和关断所需时间为0)。但是在实际应用中，必须要加入死区时间，来防止上下桥臂开关管直通，从而产生短路。加入死区后，电压矢量及其作用时间与理想SVPWM的电压矢量及其作用时间并不相同，系统输出电压能力降低，出现相位偏差、波形畸变等现象。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种三电平逆变器无死区空间矢量脉宽调制方法，该方法采用多调制时间与三角波比较，根据三相电流的方向，加上简单的逻辑运算，导出开关管的驱动信号，取消了传统意义上的死区设置，实现了电压矢量理想的无死区切换方式，电压矢量的作用时间与理想SVPWM相同。

(二)技术方案

本发明提供一种三电平逆变器无死区空间矢量脉宽调制方法，其中三电平逆变器包括A、B、C相，每相均包括第一开关管～第四开关管，所述调制方法包括如下步骤：

A1、每一相中，当电流为正向电流时，在t∈[t₁,t₂]时间内，将第三开关管提前t_d时间关断，第一开关管正常导通，其中，t_d＝t₂-t₁；

当电流为负向电流时，在t∈[t₃,t₄]时间内，将第一开关管提前t_d时间关断，第二开关管正常导通，其中，t_d＝t₄-t₃；

其余时间仍遵循传统的三电平空间矢量脉宽调制方法；

A2、调制时间计算：根据“伏秒平衡”原理，计算出相邻电压矢量的作用时间T_a、T_b、T_c，且关系如下：T_a+T_b+T_c＝T_s；

在计算调制时间的时候每相增加2个调制时间，间隔时间赋值为一个常值t_d，对于A、B、C三相，在原有调制时间的基础上增加了一个正向调制时间和一个负相调制时间X表示相,X＝A、B、C，为用来产生延时开通的驱动信号的时间，为用来产生提前关断的驱动信号的时间，调制时间计算公式如公式(1)所示：

式中，T_a、T_b和T_c分别表示扇区内相邻矢量的作用时间，T_A、T_B和T_C分别表示ABC三相计算得到的调制时间，和分别代表A相中电流为负向和正向的调制时间，和分别代表B相中电流为负向和正向的调制时间，和分别代表C相中电流为负向和正向的调制时间；

A3、将上述计算的调制时间与三角载波进行比较生成三相PWM驱动信号，通过三相PWM驱动信号消除空间矢量脉宽调制的死区效应。

进一步地，t_d＝2～4s。

进一步地，所述第一开关管～第四开关管均为IGBT。

进一步地，t₁～t₂，t₃～t₄两个时间段均设置为等于死区时间。

进一步地，所述三电平逆变器包括三相，每相均包括第一开关管～第四开关管，第一开关管的第一端与电源正极连接，第一开关管的第二端与第二开关管的第一端连接，第二开关管的第二端与第三开关管的第一端连接，第三开关管的第二端与第四开关管的第一端连接，第四开关管的第二端与电源负极连接。

进一步地，所述每相中还包括第一续流二极管～第四续流二极管，所述第一续流二极管～第四续流二极管的两端分别连接于第一开关管～第四开关管的两端。

进一步地，所述每相中还包括第一钳位二极管和第二钳位二极管，第一钳位二极管的第一端与第二开关管的第一端连接，第一钳位二极管的第二端与第二钳位二极管的第一端连接，第二钳位二极管的第二端与第三开关管的第二端连接。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明是提供的三电平逆变器无死区空间矢量脉宽调制方法，用于三电平中点嵌位式变换器拓扑结构，其目的是为了改善电机调速性能，消除空间矢量脉宽调制在实际应用中加上死区后产生的死区效应。

采用多调制时间与三角波比较，根据三相相电流的方向，通过简单的逻辑运算，导出开关管的驱动信号，取消了传统意义上的死区设置，实现了电压矢量理想的无死区切换方式，电压矢量的作用时间与理想SVPWM相同。

附图说明

图1为本发明中三电平逆变器的电路图；

图2为本发明中A相电流i_A≥0时，开关状态P→O的换流过程图；

图3为本发明中A相电流i_A≥0时，开关状态O→N的换流过程图；

图4为本发明中A相电流i_A＜0时，开关状态P→O的换流过程图；

图5为本发明中A相电流i_A＜0时，开关状态O→N的换流过程图；

图6为本发明中A相电流i_A≥0时，在A相O→P→O驱动信号和开关状态图；

图7为本发明中A相电流i_A≥0时，在A相N→O→N驱动信号和开关状态图；

图8为本发明中A相电流i_A＜0时，在A相O→P→O驱动信号和开关状态图；

图9为本发明中A相电流i_A＜0时，在A相N→O→N驱动信号和开关状态图；

图10为本发明中A相使用多调制改进方法的驱动信号图；

图11为本发明中空间矢量和区域划分图；

图12为本发明中多调制时间的驱动信号及其逻辑综合图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，三电平逆变器包括A、B和C三相，每相均包括上桥臂、中桥壁和下桥臂。

其中，A相包括四个开关管S₁～S₄，四个续流二极管D₁～D₄和两个钳位二极管D_Z1、D_Z2。其中，开关管S₁、S₂组成上桥臂，开关管S₂、S₃组成中桥臂，开关管S₃、S₄组成下桥臂。开关管S₁的第一端与电源正极连接、第二端与开关管S₂的第一端连接，开关管S₂的第二端与开关管S₃的第一端连接，开关管S₃的第二端与开关管S₄的第一端连接，开关管S₄的第二端与电源负极连接。续流二极管D₁～D₄的两端分别连接于开关管S₁～S₄的两端,钳位二极管D_Z1的第一端与开关管S₂的第一端连接，钳位二极管D_Z1的第二端与钳位二极管D_Z2的第一端连接，钳位二极管D_Z2的第二端与开关管S₃的第二端连接。

对应于A相，B相包括四个开关管S₅～S₈，四个续流二极管D₅～D₈和两个钳位二极管D_Z3、D_Z4。其中，开关管S₅、S₆组成上桥臂，开关管S₆、S₇组成中桥臂，开关管S₇、S₈组成下桥臂。开关管S₅的第一端与电源正极连接、第二端与开关管S₆的第一端连接，开关管S₆的第二端与开关管S₇的第一端连接，开关管S₇的第二端与开关管S₈的第一端连接，开关管S₈的第二端与电源负极连接。续流二极管D₅～D₈的两端分别连接于开关管S₅～S₈的两端,钳位二极管D_Z3的第一端与开关管S₆的第一端连接，钳位二极管D_Z3的第二端与钳位二极管D_Z4的第一端连接，钳位二极管D_Z4的第二端与开关管S₇的第二端连接。

对应于A相，C相包括四个开关管S₉～S₁₂，四个续流二极管D₉～D₁₂和两个钳位二极管D_Z5、D_Z6。其中，开关管S₉、S₁₀组成上桥臂，开关管S₁₀、S₁₁组成中桥臂，开关管S₁₁、S₁₂组成下桥臂。开关管S₉的第一端与电源正极连接、第二端与开关管S₁₀的第一端连接，开关管S₁₀的第二端与开关管S₁₁的第一端连接，开关管S₁₁的第二端与开关管S₁₂的第一端连接，开关管S₁₂的第二端与电源负极连接。续流二极管D₉～D₁₂的两端分别连接于开关管S₉～S₁₂的两端,钳位二极管D_Z5的第一端与开关管S₁₀的第一端连接，钳位二极管D_Z5的第二端与钳位二极管D_Z6的第一端连接，钳位二极管D_Z6的第二端与开关管S₁₁的第二端连接。

优选地，开关管S₁～S₉均为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。

下面以A相为例进行分析说明：

如图2、3所示，分别为当A相电流i_A≥0时，开关状态P→O、O→N的换流过程。P状态(上桥臂导通状态)时，开关管S₁、S₂同时导通，开关管S₃、S₄同时关断，电流通过开关管S₁、S₂换流，A相输出电压为+E；TBD死区状态时，开关管S₁、S₃和S₄都关断，开关管S₂导通，电流通过嵌位二极管D_Z1和开关管S₂换流，A相输出电压为0；O状态(中桥臂导通状态)时，开关管S₂、S₃同时导通，开关管S₁、S₄同时关断，电流通过嵌位二极管D_Z1和开关管S₂换流，A相输出电压为0；TBD死区状态时，开关管S₁、S₂和S₄都关断，开关管S₃导通，电流通过续流二极管D₃、D₄换流，A相输出电压为-E；N状态(下桥臂导通状态)时，开关管S₃、S₄同时导通，开关管S₁、S₂同时关断，电流通过开关管S₃、S₄换流，A相输出电压为-E。

如图4、5所示，分别为当A相电流i_A＜0时，开关状态P→O、O→N的换流过程。P状态时，开关管S₁、S₂同时导通，开关管S₃、S₄同时关断，电流通过续流二极管D₁、D₂换流，A相输出电压为+E；TBD死区状态时，开关管S₁、S₃、和S₄都关断，开关管S₂导通，电流通过续流二极管D₁、D₂换流，输出电压为+E；O状态时，开关管S₂、S₃同时导通，开关管S₁、S₄同时关断，电流通过嵌位二极管D_Z2和开关管S₃换流，A相输出电压为0；TBD死区状态时，开关管S₁、S₂和S₄都关断，开关管S₃导通，电流通过嵌位二极管D_Z2和开关管S₃换流，A相输出电压为0；N状态时，开关管S₃、S₄同时导通，开关管S₁、S₂同时关断，电流通过开关管S₃、S₄换流，A相输出电压为-E。

通过上述可知，在TBD死区状态中，输出电压会根据负载电流的方向不同产生不同的变化。

当i_A≥0时，如图6所示，t₁时刻起开关管S₃关断，同时维持开关管S₂导通，开关管S₁、S₄关断，电流通过嵌位二极管D_z1和开关管S₂流向负载；t₂时刻起开关管S₁导通，同时维持开关管S₂导通，开关管S₃、S₄关断，电流通过开关管S₁、S₂流向负载，在t∈[t₁,t₂]的死区时间内，+E电压的作用时间与理想情况下相比减少了t_d(t_d＝t₂-t₁)的时间，0电压作用时间增加了t_d的时间；t₃时刻起开关管S₁关断，同时维持开关管S₂导通，开关管S₃、S₄关断，电流通过嵌位二极管D_z1和开关管S₂流向负载；t₄时刻起开关管S₃导通，同时维持开关管S₂导通，开关管S₁、S₄关断，电流继续通嵌位二极管D_z1和开关管S₂流向负载，在t∈[t₃,t₄]的死区时间内，+E电压和0电压的作用时间与理想情况下相同。

如图7所示，t₁时刻起开关管S₄关断，同时维持开关管S₃导通，开关管S₁、S₂关断，电流通过续流二极管D₃、D₄流向负载；t₂时刻起开关管S₂导通，同时维持开关管S₃导通，开关管S₁、S₄关断，电流通过嵌位二极管D_z1和开关管S₂流向负载，在t∈[t₁,t₂]的死区时间内，0电压的作用时间与理想情况下相比减少了t_d的时间，-E电压作用时间增加了t_d的时间；t₃时刻起开关管S₂关断，同时维持开关管S₃导通，开关管S₁、S₄关断，电流通过续流二极管D₃、D₄流向负载；t₄时刻起开关管S₄导通，同时维持开关管S₃导通，开关管S₁、S₂关断，电流继续通过续流二极管D₃、D₄流向负载，在t∈[t₃,t₄]的死区时间内，-E电压和0电压的作用时间与理想情况下相同。

当i_A＜0时，如图8所示，t₁时刻起开关管S₃关断，同时维持开关管S₂导通，开关管S₁、S₄关断，电流通过续流二极管D₁、D₂流向直流母线正极；t₂时刻起开关管S₁导通，同时维持开关管S₂导通，开关管S₃、S₄关断，电流继续通过续流二极管D₁、D₂流向直流母线正极；在t∈[t₁,t₂]的死区时间内，+E电压和0电压的作用时间与理想情况下相同；t₃时刻起开关管S₁关断，同时维持开关管S₂导通，开关管S₃、S₄关断，电流通过续流二极管D₁、D₂流向直流母线正极；t₄时刻起开关管S₃导通，同时维持开关管S₂导通，开关管S₁、S₄关断，电流通过嵌位二极管D_Z2和开关管S₃流向中性点Z，在t∈[t₃,t₄]的死区时间内，+E电压作用时间和理想状态相比增加了t_d(t_d＝t₄-t₃＝t₂-t₁)，而0电压作用时间减少了t_d。

如图9所示，t₁时刻起开关管S₄关断，同时维持开关管S₃导通，开关管S₁、S₂关断，电流通过嵌位二极管D_Z2和开关管S₃流向中性点Z；t₂时刻起开关管S₂导通，同时维持开关管S₃导通，开关管S₁、S₄关断，电流继续通过嵌位二极管D_Z2和开关管S₃流向中性点Z，在t∈[t₁,t₂]的死区时间内，-E电压和0电压的作用时间与理想情况下相同；t₃时刻起开关管S₂关断，同时维持开关管S₃导通，开关管S₁、S₄关断，电流通过嵌位二极管D_Z2和开关管S₃流向中性点Z；t₄时刻起开关管S₄导通，同时维持开关管S₃导通，开关管S₁、S₂关断，电流通过开关管S₃、S₄流向直流母线负极，在t∈[t₃,t₄]的死区时间内，0电压作用时间和理想状态相比增加了t_d，而-E电压作用时间减少了t_d。

死区时间的加入造成了输出电压的非对称性变化，输出波形发生畸变，谐波增多。

如图10所示，理想的SVPWM方法假设功率开关管为理想开关管，即开通和关断所需时间为零。当t∈[0,t₁]时，变流器输出电压为0；当t∈[t₁,t₃]时，输出电压为+E；当t∈[t₃,t₅]时，输出电压为0。但是实际上功率开关管有开通和关断时间，因此在切换的时候必须要加入死区，防止上下桥臂的开关管直通造成的短路。由于死区的加入，导致开关管S₁、S₃的驱动信号存在都为0的阶段。

实施例1

为解决现有的三电平SVPWM调制存在的死区效应，实施例1提出了一种三电平无死区SVPWM调制方法，具体包括如下步骤：

A1、如图10所示，以A相为例，当i_A≥0时，SVPWM加入死区后，V_A在t∈[t₁,t₂]时间内与理想的情况下不同，为了消除这一段时间内的死区效应，将开关管S₃提前t_d时间关断，开关管S₁正常导通，整体上给开关管S₃一个提前关断、延时导通的驱动信号。同理，当i_A＜0时，在t∈[t₃,t₄]时间内将开关管S₁提前t_d时间关断，开关管S₂正常导通，整体上给开关管S₁一个延时开通，提前关断的驱动信号。这样改变驱动信号后的输出电压与理想情况下的输出电压相同。

A2、如图11所示，SVPWM算法是用空间矢量来等效合成参考矢量V_ref，将整个空间划分为6个扇区，每个扇区划分4个区域，临近的3个矢量合成参考矢量V_ref。根据“伏秒平衡”原理，可以计算出相邻电压矢量的作用时间T_a、T_b、T_c，且关系如下：T_a+T_b+T_c＝T_s。在计算调制时间的时候每相增加2个调制时间，间隔时间赋值为一个常值t_d，t_d＝2～4μs。

对于A、B、C三相，这里的T_X(X＝A、B、C)是计算所得的ABC三相的调制时间，在原有调制时间的基础上增加了一个正向调制时间和一个负向调制时间X表示相,X＝A、B、C，为用来产生延时开通的驱动信号的时间，为用来产生提前关断的驱动信号的时间，调制时间计算公式如公式(1)所示：

A3、将公式(1)所示的调制时间与等腰三角形横截，等腰三角形的高度为T_s/2，加上如表1所示的简单逻辑运算，可得到三相桥臂其中6个开关管(开关管S₁、S₃、S₅、S₇、S₉和S₁₁)的PWM信号。再根据扇区号，加上在扇区内不变的恒值驱动信号，产生12路驱动信号，得到完整的三电平无死区SVPWM调制方法。如表1所示，为驱动信号生成逻辑综合，如图12所示，为三调制时间的驱动信号及其逻辑综合。其中，等腰三角形为三角载波，驱动信号为驱动开关管导通与关断的信号，逻辑综合就是指根据电流方向来判断开关管是提前导通，还是延时关断。

表1驱动信号生成逻辑综合

表1中，G_A和为A相一对运行在互补模式的开关管的驱动信号，是由调制时间T_A产生的正常的驱动信号，是由负向调制时间产生的提前关断并延时开通的驱动信号，是由正向调制时间产生的延时开通并提前关断的驱动信号；G_B和为B相一对运行在互补模式的开关管的驱动信号，是由调制时间T_B产生的正常的驱动信号，是由负向调制时间产生的提前关断并延时开通的驱动信号，是由正向调制时间产生的延时开通并提前关断的驱动信号；G_C和为C相一对运行在互补模式的开关管的驱动信号，是由调制时间T_C产生的正常的驱动信号，是由负向调制时间产生的提前关断并延时开通的驱动信号，是由正向调制时间产生的延时开通并提前关断的驱动信号。

相比于传统有死区的调制方法只有T_X，由T_X与三角载波比较得到驱动信号；本申请的无死区调制方增加和相辅助调制时间，然后根据电流方向和相应的逻辑判断来决定一个PWM周期内的驱动信号。

仿真实验

将加死区SVPWM方法、无死区SVPWM方法和理想情况下的SVPWM方法在5Hz、调制比为0.12的情况下进行仿真实验，可知，无死区方法和理想情况下输出电压的基波都为64.8V，较有死区方法高出大约4V。因此，加死区方法利用率较低，且5次和7次谐波幅值明显。另外，定子电流在低频时，SVPWM加死区调制方法跟SVPWM无死区方法相比，反而基波幅值较小，但是5次和7次谐波明显增高。得到结论为SVPWM加死区调制在低频时电流畸变严重，很大一部分电流表现为5次及7次谐波。

将加死区SVPWM方法、无死区SVPWM方法和理想情况下的SVPWM方法在50Hz、调制比为1的情况下进行仿真实验，可知，有死区方法的线电压波形在一个周期内的基波幅值大约是520V，较无死区方法降低大约20V。而无死区方法与理想情况的SVPWM方法一样都是540V，电压利用率更高。5次和7次谐波有改善，但是不如低频时明显。加死区SVPWM方法的A相电流波形在一个周期内的总谐波失真率(THD)为0.872752％，无死区SVPWM方法的THD为0.435685％，较加死区SVPWM方法降低了50.08％。加死区SVPWM方法的电流基波幅值明显比另外两个方法大，5次和7次谐波有改善，但是不如低频时明显。

上述的三电平逆变器无死区空间矢量脉宽调制方法仅对常用的7段法驱动信号生成作了详细描述，但是此方法可以推广至5段、9段、11段法等。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种三电平逆变器无死区空间矢量脉宽调制方法，所述三电平逆变器包括A、B、C相，每相均包括第一开关管～第四开关管，其特征在于，所述调制方法包括如下步骤：

A1、每一相中，在每一周期内，当电流为正向电流时，在t∈[t₁,t₂]时间内，将第三开关管提前t_d时间关断，第一开关管正常导通，其中，t_d＝t₂-t₁；

每一周期内其余时间仍遵循传统的三电平空间矢量脉宽调制方法；

A2、调制时间计算：根据“伏秒平衡”原理，计算出相邻电压矢量的作用时间T_a、T_b、T_c，其中，T_a+T_b+T_c＝T_s；

在计算调制时间的时候每相增加2个调制时间，间隔时间赋值为一个常值t_d，对于A、B、C三相，在原有调制时间的基础上增加了一个正向调制时间和一个负向调制时间X表示相,X＝A、B、C，为用来产生延时开通的驱动信号的时间，为用来产生提前关断的驱动信号的时间，调制时间计算公式如公式1所示：

A3、将上述公式(1)计算的调制时间与三角载波进行比较生成三相PWM驱动信号，通过三相PWM驱动信号消除空间矢量脉宽调制的死区效应。

2.根据权利要求1所述的无死区空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，t_d＝2～4s。

3.根据权利要求1所述的无死区空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述第一开关管～第四开关管均为IGBT。

4.根据权利要求1所述的无死区空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，t₁～t₂，t₃～t₄两个时间段均设置为等于死区时间。

5.根据权利要求1所述的无死区空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述三电平逆变器包括三相，每相均包括第一开关管～第四开关管，第一开关管的第一端与电源正极连接，第一开关管的第二端与第二开关管的第一端连接，第二开关管的第二端与第三开关管的第一端连接，第三开关管的第二端与第四开关管的第一端连接，第四开关管的第二端与电源负极连接。

6.根据权利要求5所述的无死区空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述每相中还包括第一续流二极管～第四续流二极管，所述第一续流二极管～第四续流二极管的两端分别连接于第一开关管～第四开关管的两端。

7.根据权利要求6所述的无死区空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述每相中还包括第一钳位二极管和第二钳位二极管，第一钳位二极管的第一端与第二开关管的第一端连接，第一钳位二极管的第二端与第二钳位二极管的第一端连接，第二钳位二极管的第二端与第三开关管的第二端连接。