CN101409507A - 基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿方法及装置。通过分析基于载波调制的双级矩阵变换器正常工况时的逆变级死区效应，即插入死区之后实际开关导通时间以及实际输出电压的变化，在此基础上，提出死区补偿方法。本发明提出的死区补偿方法充分考虑了双级矩阵变换器中的开关器件IGBT、续流二极管的导通压降和开关器件开通与关断延时时间的影响，推导出的死区补偿公式计算简单，便于工程实现。本发明还根据该死区补偿方法提供了一种具体的死区补偿装置。本发明能克服双级矩阵变换器死区效应，获得更为理想的输出电流。

Description

基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿方法及其装置

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿方法及其装置。

背景技术

矩阵变换器是近十年来电力电子领域里的研究热点，它具有很多优良特性，能量可以双向流通、输入输出电流正弦、输入功率因数可控，且无需大容量的贮能元件、结构紧凑、体积小。特别是最近几年在单级矩阵变换器基础上发展起来的双级矩阵变换器，它不仅具备了单级矩阵变换器的优良特性，而且克服了单级矩阵变换器存在的钳位电路庞大，换流控制复杂等不足，成为目前最有发展潜力的一种电力变换器。

双级矩阵变换器常见的拓扑结构如附图1所示，主要由整流级、中间箝位电路、逆变级三部分组成。与传统交-直-交变频器相比，双级矩阵变换器没有中间直流大电容，因此整流级和逆变级之间具有很强的耦合作用。整流级的调制主要是保证输入端的功率因数及中间箝位电路直流电压为较大值，逆变级则需要根据变化的直流电压大小调制得到期望的输出电流。和普通逆变器一样，为保证逆变级的安全运行，双级矩阵变换器逆变级的三个桥臂上下开关器件在导通过程中需要插入死区时间，即在上下开关器件交替导通的过程中安排一段时间使这两个开关器件都关闭，从而避免出现同一桥臂两个开关器件同时导通而出现桥臂短路，烧坏开关器件的危险。

尽管如此，这一死区时间的插入却使得输出电流波形受到了影响，这是因为在死区时间内，输出电压是不受控的，即在这一小段时间内，输出电压不等于期望输出电压，甚至与期望输出电压极性相反。这一影响在变频器输出频率变低的时候更为突出，因为频率变低时，在一个输出周期内插入了多个死区时间，相应的不受控电压增大。正因为如此，为了获取性能优良的电力变换器，要求对电力变换器进行死区补偿，例如普通的逆变器。但是目前针对双级矩阵变换器的研究中没有涉及到它的死区补偿，而通过研究它的工作原理，可以明确知道双级矩阵变换器中的死区效应对它的性能有着不可忽视的影响；因此，有必要对它的死区效应进行补偿，以获得比较理想的输出电流。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿方法及其装置，以克服双级矩阵变换器死区效益，获得更为理想的输出电流。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿方法，其特征在于：先计算整流级输出电压周期平均值为u_dc和测量逆变级的电流方向，按照以下公式计算死区补偿占空比：

d_i＝sgn(i_i)(T_d+T_on-T_off)/T_s+(u_io+0.5*sgn(i_i)(u_ce+u_d))/(u_dc-u_ce+u_d)+0.5，i∈{a，b，c}；对应整流级一个开关周期，逆变级分前后两段进行载波调制，前后两段载波的占空比分别为d_i与整流级两个电流空间矢量占空比的乘积，即d_γ1d_i和d_σ1d_i；再根据d_γ1d_i和d_σ1d_i控制IGBT(绝缘型双极性晶体管，Insulated-Gate Bipolar Transistor)的导通和关断，实现双级矩阵变换器的死区补偿；其中i_i为逆变级输出电流，sgn(.)为符号函数，T_d为死区时间，T_on为IGBT的开通延时时间，T_off为IGBT的关断延时时间，T_s为IGBT的开关周期，u_io为输出a、b、c三相的调制电压，u_io＝u_is-u_os，i∈{a，b，c}，其中u_is为逆变级输出参考电压，u_os为零序偏置电压；u_dc为整流级输出电压周期平均值，u_ce为IGBT的导通压降；u_d为二极管导通压降；a、b、c分别a、b、c三相的标识符。

一种基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿装置，所述双级矩阵变换器的主电路由整流级、中间箝位电路和逆变级三部分组成；其特征在于，包括直流电压计算电路、输出电流方向判断电路以及计算控制电路；所述的直流电压计算电路的输入端接整流级的三相输入电压信号，直流电压计算电路的输出端接计算控制电路的一个输入端；输出电流方向判断电路的输入端接逆变级的三相输出电流信号，输出电流方向判断电路的输出端接计算控制电路的另一个输入端，计算控制电路输出控制信号给逆变级电路。

所述的计算控制电路包括死区补偿占空比计算单元，其死区补偿占空比计算公式为：

d_i＝sgn(i_i)(T_d+T_on-T_off)/T_s+(u_io+0.5*sgn(i_i)(u_ce+u_d))/(u_dc-u_ce+u_d)+0.5，i∈{a，b，c}；其中i_i为逆变级输出电流，sgn(.)为符号函数，T_d为死区时间、T_on为IGBT的开通延时时间，T_off为IGBT的关断延时时间，T_s为IGBT的开关周期，u_io为输出a、b、c三相的调制电压，u_io＝u_is-u_os，i∈{a，b，c}，u_is为逆变级输出参考电压，u_os为零序偏置电压；u_dc为整流级输出电压周期平均值，u_ce为IGBT的导通压降；u_d为二极管导通压降；a、b、c分别a、b、c三相的标识符。

所述的计算控制电路还包括前后两段占空比计算单元，其前后两段占空比为d_i与整流级两个电流空间矢量占空比的乘积，即d_γ1d_i和d_σ1d_i。

所述的计算控制电路还包括用于将占空比转化成可以直接连接IGBT驱动单元的高低电平信号的脉冲信号产生单元。

所述的输出电流方向判断电路由电流互感器、低通滤波器、偏置电路、放大电路和电压比较器依次串联组成。

所述的计算控制电路的主控芯片采用数字信号处理器和/或复杂可编程逻辑器件。

双级矩阵变换器的调制策略分整流级和逆变级两级调制，死区效应主要是由于逆变级插入的死区时间而产生，因此死区补偿靠通过对逆变级的调制来实现。

整流级调制的目的是产生三相平衡正弦的输入电流(这里正弦波所指的是整流级的输入电流的波形，由于输入电流经整流级，其波形会随整流级的拓扑结构及调制策略而改变，即输入电流波形由整流级调制决定)，同时保证输入功率因数可控，取输入电压输入电流同相位时，则θ＝θ_A，整流级采用电流空间矢量调制策略，输入电流空间矢量六个扇区的占空比计算统一表示如下：

d_γ＝sin(k^π/₃-θ-π/6)，d_σ＝cos(θ-k^π/₃)

其中，d_γ和d_σ分别为扇区中两个电流空间矢量的占空比，θ为扇区角，k表示第几扇区。

逆变级采用基于载波的调制策略。首先求出期望电压和调制电压之间的关系式，实际输出电压与开关理想导通时间d_i的关系式；然后再将调制电压取为实际输出电压，确定d_i，d_i即为所需的死区补偿占空比。同时为了保持和整流级的同步，对应整流级一个开关调制周期，逆变级需要分前后两段进行载波调制，前后两段载波周期分别为调制周期内整流级两个电流矢量的作用时间，占空比分别为d_i与整流级两个电流空间矢量占空比的乘积。

本发明的有益效果有：

本发明分析了基于载波调制的双级矩阵变换器正常工况时的逆变级死区效应，即插入死区之后实际开关导通时间以及实际输出电压的变化，在此基础上，提出死区补偿方法及其装置。本发明提出的死区补偿方法充分考虑了双级矩阵变换器中的开关器件IGBT、续流二极管的导通压降和开关器件开通与关断延时时间的影响，推导出的死区补偿公式计算简单，便于工程实现。本发明提出的用于死区补偿的载波调制和传统的载波调制不同，它借助的是载波调制的原理，但采取的是另外一种实施方法：首先根据期望电压和调制电压之间的关系求出调制电压，再根据实际输出电压与开关理想导通时间的关系式确定所需施加的占空比。本发明能克服双级矩阵变换器死区效益，获得更为理想的输出电流。对本基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿装置进行了相关实验，实验及实验结果描述如下：

实验在一套3.7Kw的双级矩阵变换器试验样机上进行，样机的控制器由一块数字信号处理器(DSP)和一块复杂可编程逻辑控制器(CPLD)组成，DSP负责输入电压采样、接收输出电流方向采集电路传送的高低电平信号、占空比计算等任务，CPLD用于产生整流级、逆变级的驱动脉冲。矩阵变换器输入三相电压线电压有效值为140伏，调制系数为0.5，调制频率为5KHZ，输出频率为10Hz。逆变级采用的功率开关器件为富士IGBT(1MBH60D-100)，死区设置时间为6.0us，载波形状采用的是等腰三角形方式，零序电压取0。图7和图8分别为数字示波器显示的补偿前后逆变级a相的输出电压、电流波形，通过对图7和图8的FFT分析可知，输出电压基波幅值从补偿前的57.45V增大到补偿后的65.69V，谐波畸变率THD从60.38％下降到45.96％；输出电流基波幅值从补偿前的1.136A增大到补偿后的1.787A，谐波畸变率THD从10.74％下降到2.93％，5次、7次谐波含有率分别从9.07％、4.50％下降到0.18％、0.81％。从以上FFT分析以及从图中电流波形的直观效果可以看出，本专利提出的双级矩阵变换器基于载波调制的死区补偿方法能有效改善输出电流质量，适合工程应用。

附图说明

图1为双级矩阵变换器拓扑结构示意图；

图2为双级矩阵变换器整流级电流空间矢量调制原理图；

图3为逆变级a相实际输出电压波形(其中(a)为电流正向的情况，(b)为电流反向的情况)；

图4为死区补偿方案示意图；

图5为计算控制电路示意图；

图6为逆变级输出电流方向判断电路框图；

图7为补偿前的逆变级a相的输出电压和电流实测波形；

图8为补偿后的逆变级a相的输出电压和电流实测波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，双级矩阵变换器由整流级1、箝位电路2、逆变级3组成，具体调制分整流级和逆变级两级实现。死区效应主要是由于逆变级插入的死区时间而产生，因此死区补偿靠通过对逆变级的调制来实现。下面主要讨论逆变级的基于载波调制的死区补偿。

1整流级调制

双级矩阵变换器整流级调制的目的是产生幅值较大的上正下负的中间直流电压的同时，保证三相输入电流平衡正弦且输入功率因数可控，本文取输入电压输入电流同相位。整流级采用电流空间矢量调制策略，其类似电压空间矢量合成，参考图2计算占空比为

d_γ＝sin(k*π/3-θ-π/6)    (1)

d_σ＝cos(θ-k*π/3)    (2)

其中，d_γ和d_σ分别为扇区中两个电流空间矢量的占空比，θ为扇区角(电流参考矢量的绝对相角)，k表示第几扇区。

为了保证整流调制无显式的零矢量，将式(1)和(2)进行归一化操作，得

d_r1＝d_γ/(d_r+d_σ)    (3)

d_σ1＝d_σ/(d_r+d_σ)    (4)

图2中相位角θ的参考矢量表示输入电流矢量在第一扇区的情况，中间平均直流电压为

u_dc＝u_ABd_γ1+u_ACd_σ1    (5)

其中，u_dc为中间平均直流电压，u_AB和u_AC为输入线电压。

2逆变级调制

载波调制的基本原理是：将希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形(PWM为脉宽调制)。载波调制的核心是载波和调制波的生成。本发明提出的用于死区补偿的载波调制和传统的载波调制不同，它借助的是载波调制的原理，但采取的是另外一种实施方法：首先根据期望电压和调制电压之间的关系求出调制电压，再根据实际输出电压与开关理想导通时间的关系式确定所需施加的占空比。下面结合图1-图5详细说明它的原理及实施步骤。

2.1调制电压u_io的求取

在图1中，根据Kirchhoff电压定理，可得方程

u_io＝u_is-u_os，i∈{a，b，c}    (6)

其中，o点电势是虚拟的直流电压中点电势，s点电势为输出三相负载的中性点，u_io为输出a、b、c三相的调制电压(调制波)，u_is为输出参考电压，u_os为零序信号(偏置电压)，物理上为o点和s点的电势差。

从方程(6)可知，调制电压由输出参考电压和零序信号相减而成，因此，调制电压由选取的零序电压和输出参考电压决定。零序电压u_os取值范围较大，在本发明中零序电压取零。输出参考电压最大幅值不能超过输入电压幅值的

倍。

2.2死区补偿占空比的求取

用于死区补偿的占空比求取原理为：通过分析加入死区之后，求出实际输出电压与开关理想导通时间的关系式；将实际输出电压取2.1节所述的调制电压值u_io，然后根据关系式求出理想开关导通时间，此时理想开关导通时间已经加入了死区补偿；然后再将开关导通时间除以调制周期即得到死区补偿的占空比。下面的推导用于对实际输出电压与开关理想导通时间的关系式以及死区补偿占空比求取。

由于整流级输入电流空间矢量的调制在不同扇区之间具有相似性，为结合前面所述，在这里仍然分析输入电流空间矢量在第一扇区时的情况。假设此时整流级一个开关周期为T_s，线电压u_AB，u_AC持续的时间分别为d_γ1T_s，d_σ1T_s，整流级输出电压周期平均值为u_dc。如图1所示，分析此时逆变级a相输出电压，按a相电流方向从桥臂流向负载(正向)和电流从负载流向桥臂(反向)的两种情况来分析。如图3所示：图3(a)为a相电流正向时输出电压的波形，图3(b)为反向情况。图3中虚线表示理想输出电压波形，实线表示实际获得的电压波形。

如图3(a)所示，a相电流为正向时，上管断开电流经下桥臂并联二极管续流，由于二极管导通压降u_d，使得a相输出电压u_ao为

u_ao＝-u_dc/2-u_d    (7)

当上管经过死区时间T_d和开通延时T_on后导通，电流经上管流向负载，此时由于上管的导通压降u_ce，使得u_ao为

u_ao＝u_dc/2-u_ce    (8)

此时，a相实际输出正脉冲的时间T′_a比理想要求的输出正脉冲时间T_a短，二者的关系为

T′_a＝T_a-(T_d+T_on-T_off)    (9)

其中，T_d为死区时间，T_on为开通延时时间，T_off为关断延时时间。

如图3(b)所示，a相电流为反向时，下管导通，电流经下管流向负载，由于下管的导通压降u_ce和二极管导通压降u_d，使得a相输出电压u_ao为

u_ao＝-u_dc/2+u_ce    (10)

当下管经过关断延时(T_off)后关断，电流经上桥臂并联二极管续流，此时由于二极管导通压降u_d，使得u_ao为

u_ao＝u_dc/2+u_d    (11)

此时，a相实际输出正脉冲的时间T′_a比理想要求的输出正脉冲时间T_a长，二者的关系为

T′_a＝T_a+(T_d+T_on-T_off)    (12)

利用伏秒平衡定理，联立式(7)和式(8)得

T_su_ao＝(u_dc-u_ce+u_d)(T′_a-T_s/2)-T_s(u_ce+u_d)/2    (13)

联立式(10)、(11)得：

T_su_ao＝(u_dc-u_ce+u_d)(T′_a-T_s/2)+T_s(u_ce+u_d)/2    (14)

为得到实际输出电压统一表达式，引入符号sgn(i_a)，当a相电流为正时，sgn(i_a)＝1，为反时sgn(i_a)＝-1，联立式(13)和(14)，得

T′_a＝T_s(u_ao+0.5*sgn(i_a)(u_ce+u_d))/(u_dc-u_ce+u_d)+0.5T_s    (15)

同理，三相实际输出正脉冲的时间(用T′_i表示)和实际输出电压的关系可表示如下：

T′_i＝T_s(u_io+0.5*sgn(i_i)(u_ce+u_d))/(u_dc-u_ce+u_d)+0.5T_s，i∈{a，b，c}    (16)

另外，联立式(9)和(12)可得到a相实际输出正脉冲的时间和理想输出正脉冲的时间之间的关系：

T′_a＝T_a-sgn(i_a)(T_d+T_on-T_off)    (17)

三相实际输出正脉冲的时间和理想输出正脉冲的时间之间的关系：

T′_i＝T_i-sgn(i_i)(T_d+T_on-T_off)，i∈(a，b，c)    (18)

联立式(16)、(18)得到实际输出电压和理想正脉冲输出时间之间的关系

T_i＝sgn(i_i)(T_d+T_on-T_off)+T_s(u_io+0.5*sgn(i_i)(u_ce+u_d))/(u_dc-u_ce+u_d)+0.5T_s    (19)

令死区补偿占空比为d_i，根据式(19)，得

d_i＝sgn(i_i)(T_d+T_on-T_off)/T_s+(u_io+0.5*sgn(i_i)(u_ce+u_d))/(u_dc-u_ce+u_d)+0.5，i∈{a，b，c}    (20)

由式(20)可知，死区补偿占空比与电流i_i的方向、死区时间T_d、开通延时时间T_on、关断延时时间T_off、开关周期T_s、IGBT导通压降u_ce、直流电压u_dc(即整流级输出电压周期平均值)、二极管导通压降u_d有关。这些参数中，电流方向需要实时测量，死区时间和开关周期根据需要人为确定，其它参数与器件本身特性相关。

2.3逆变级载波调制

逆变级的调制要配合整流级的调制，即对应整流级一个开关周期，逆变级需要分前后两段进行载波调制。为叙述简洁，这里仍取输入电流空间矢量在第一扇区时的情况来讲述。假设整流级一个开关周期为T_s，线电压u_AB，u_AC持续的时间分别为d_γ1T_s和d_σ1T_s，则逆变级前后两段载波周期分别应为d_γ1T_s和d_σ1T_s，根据前文2.2节所述，死区补偿后的占空比为d_i，则前后两段载波占空比应为d_γ1d_i和d_σ1d_i。

2.4逆变级死区补偿实施方案

如图4所示，双级矩阵变换器在图1双级矩阵变换器拓扑结构基础上增加了三个部分：直流电压计算电路6、输出电流方向判断电路4和计算控制电路5。在实际实施过程中，直流电压大小的可以通过实时检测得到，即便通过计算得到也可以在计算控制电路5中执行，这样相比于不加死区补偿的双级矩阵变换器控制系统，死区补偿方案在硬件上只多了输出电流方向判断电路。

如图5所示，计算控制电路由DSP1和CPLD2组成，DSP1主要完成采集输出电流方向判断单元传过来的单元信号、根据式(5)计算直流电压u_dc、根据式(20)计算死区补偿后的开关器件占空比d_i，其中死区补偿后的开关器件占空比的计算按照前面2.2节所述进行。而CPLD2用于将DSP1传送过来的占空比转化成可以直接连接IGBT驱动单元的高低电平信号。

如图6所示，输出电流方向判断单元由电流互感器1、低通滤波器2、偏置电路3、放大电路4以及电压比较器5组成。电流互感器1将输出交流电流转换成幅值较低的直流电压值，低通滤波器2用来过滤夹杂在直流电压中的高频成分，偏置电路3则用于将直流电压转换成在零点附近变化的交流电压，放大电路4将偏置电路3传送过来的较低电压放大，放大后的电压最后通过过零电压比较器5，得到与双级矩阵变换器输出电流方向对应的高低电平。

Claims (7)

1.一种基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿方法，其特征在于：先计算整流级输出电压周期平均值为u_dc和测量逆变级的电流方向，按照以下公式计算死区补偿占空比：

d_i＝sgn(i_i)(T_d+T_on-T_off)/T_s+(u_io+0.5*sgn(i_i)(u_ce+u_d))/(u_dc-u_ce+u_d)+0.5，

i∈{a，b，c}；对应整流级一个开关周期，逆变级分前后两段进行载波调制，前后两段载波的占空比分别为d_i与整流级两个电流空间矢量占空比的乘积，即d_γ1d_i和d_σ1d_i；再根据d_γ1d_i和d_σ1d_i控制IGBT的导通和关断，实现双级矩阵变换器的死区补偿；其中i_i为逆变级输出电流，sgn(.)为符号函数，T_d为死区时间，T_on为IGBT的开通延时时间，T_off为IGBT的关断延时时间，T_s为IGBT的开关周期，u_io为输出a、b、c三相的调制电压，u_io＝u_is-u_os，i∈{a，b，c}，其中u_is为逆变级输出参考电压，u_os为零序偏置电压；u_dc为整流级输出电压周期平均值，u_ce为IGBT的导通压降；u_d为二极管导通压降；a、b、c分别a、b、c三相的标识符。

2.一种基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿装置，所述双级矩阵变换器的主电路由整流级、中间箝位电路和逆变级三部分组成；其特征在于，包括直流电压计算电路、输出电流方向判断电路以及计算控制电路；所述的直流电压计算电路的输入端接整流级的三相输入电压信号，直流电压计算电路的输出端接计算控制电路的一个输入端；输出电流方向判断电路的输入端接逆变级的三相输出电流信号，输出电流方向判断电路的输出端接计算控制电路的另一个输入端，计算控制电路输出控制信号给逆变级电路。

3.如权利要求2所述的基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿装置，其特征在于，所述的计算控制电路包括死区补偿占空比计算单元，其死区补偿占空比计算公式为：

d_i＝sgn(i_i)(T_d+T_on-T_off)/T_s+(u_io+0.5*sgn(i_i)(u_ce+u_d))/(u_dc-u_ce+u_d)+0.5，

i∈{a，b，c}；其中i_i为逆变级输出电流，sgn(.)为符号函数，T_d为死区时间、T_on为IGBT的开通延时时间，T_off为IGBT的关断延时时间，T_s为IGBT的开关周期，u_io为输出a、b、c三相的调制电压，u_io＝u_is-u_os，i∈{a，b，c}，u_is为逆变级输出参考电压，u_os为零序偏置电压；u_dc为整流级输出电压周期平均值，u_ce为IGBT的导通压降；u_d为二极管导通压降；a、b、c分别a、b、c三相的标识符。

4.如权利要求3所述的基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿装置，其特征在于，所述的计算控制电路还包括前后两段占空比计算单元，其前后两段占空比为d_i与整流级两个电流空间矢量占空比的乘积，即d_γ1d_i和d_σ1d_i。

5.如权利要求4所述的基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿装置，其特征在于，所述的计算控制电路还包括用于将占空比转化成可以直接连接IGBT驱动单元的高低电平信号的脉冲信号产生单元。

6.如权利要求2～5任一项所述的基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿装置，其特征在于，所述的输出电流方向判断电路由电流互感器、低通滤波器、偏置电路、放大电路和电压比较器依次串联组成。

7.如权利要求6所述的基于载波调制的双级矩阵变换器的死区补偿装置，其特征在于，所述的计算控制电路的主控芯片采用数字信号处理器和/或复杂可编程逻辑器件。

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