CN102223096A - 一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法，包括开关函数模块、逆变桥模块和开关管、续流二极管与直流环电流模块，开关函数模块的输入为开关管的门极触发脉冲，开关函数模块分别与逆变桥模块，以及开关管、续流二极管与直流环电流模块相连，逆变桥模块输出逆变器各相的电压，开关管、续流二极管与直流环电流模块输出逆变器各相的电流。该装置及其方法可实现实时仿真系统中逆变器与电机模型的解耦，建立了带死区效应的开关函数双电平逆变器模型，解决了仿真速度慢、解算不准确的技术问题。

Description

一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种仿真建模装置及其方法，尤其是涉及一种双电平逆变器死区效应的仿真建模装置及其方法。

背景技术

任何固态的电子开关器件都具有一定的固有开通和关断时间。对于确定的开关器件，固有的开通和关断时间是不可控的，这必然引起开关器件输出与输入控制信号的偏移，通常称此为开关死区时间。逆变器同一相上、下桥臂的开关器件工作为互补状态。由于一般开关器件的开通时间小于关断时间，因此如果将互补的控制信号加到同一相上、下桥臂的开关器件的控制极上，那么开关器件将会发生“直通”，其后果非常严重。所以，目前的逆变器系统广泛采用时间延迟的控制技术，即将理想的控制信号上升沿延迟一段时间，通常称此为控制死区时间。

死区时间的存在使得逆变器不能完全精确地复现PWM控制信号的理想波形，必然产生更多的谐波，并影响电气传动在低速下的运行性能。因此，对逆变器死区效应进行建模与仿真，观察研究逆变器死区效应，对研究死区效应的补偿控制非常有必要。在目前的仿真技术中，双电平逆变器模块的仿真模拟主要是利用SimPowerSystem模块库中自带的双电平逆变器模块，如图1所示。但是利用SimPowerSystem模块库中自带的双电平逆变器模型在实际仿真中速度并不是很快，在实时仿真中，也会遇到速度慢，或者无法下载的问题，有时甚至出现解算不准确的情况。

而且目前现有的利用MATLAB/Simulink搭建的双电平逆变器模型中未考虑死区效应的存在，没有对死区效应进行相应处理。因此，当脉冲触发出现死区时，逆变器输出仿真结果与真实结果不完全一致，存在一定的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法，利用开关函数搭建双电平逆变器模型及其死区效应，该装置及其方法可实现实时仿真系统中逆变器与电机模型的解耦，并考虑了触发脉冲存在死区时对逆变器输出带来的影响，针对死区效应对开关函数进行修正，建立了带死区效应的开关函数双电平逆变器模型，解决了仿真速度慢、解算不准确的技术问题。

本发明具体提供了一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置的具体实施方式，一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置，包括开关函数模块、逆变桥模块和开关管、续流二极管与直流环电流模块，开关函数模块的输入为开关管的门极触发脉冲，开关函数模块分别与逆变桥模块，以及开关管、续流二极管与直流环电流模块相连，逆变桥模块输出逆变器各相的电压，开关管、续流二极管与直流环电流模块输出逆变器各相的电流，其中开关函数模块的输入输出关系由以下函数定义：

逆变器的abc三相正半桥开关函数为：

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{ap}}=\left\{\begin{array}{cc}{a}^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ 1-a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bp}}=\left\{\begin{array}{cc}{b}^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ 1-b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cp}}=\left\{\begin{array}{cc}{c}^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ 1-c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

逆变器的abc三相负半桥开关函数为：

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{an}}=\left\{\begin{array}{cc}1-a^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-b^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-c^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

全桥开关函数为：

SF_a＝SF_ap-SF_an，SF_b＝SF_bp-SF_bn，SF_c＝SF_cp-SF_cn；

其中，a⁺，b⁺，c⁺；a^-，b^-，c^-分别为控制器输出至6个开关管的PWM开关逻辑信号。

作为本发明一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置进一步的实施方式，逆变桥模块的输入输出关系由以下函数定义：

相电压为：u_an＝u_ao-u_no，u_bn＝u_bo-u_no，u_cn＝u_co-u_no；

线电压为：u_ab＝u_ao-u_bo，u_bc＝u_bo-u_co，u_ca＝u_co-u_ao；

其中，u_ao＝0.5V_DC×SF_a，u_bo＝0.5V_DC×SF_b，u_co＝0.5V_DC×SF_c，u_no＝(1/3)(u_ao+u_bo+u_co)，u_ao、u_bo、u_co分别为逆变器输出端a、b、c与直流电源中点o之间的电压，V_DC为直流环路电压，u_no为电机三相绕组中点n与直流电源中点o之间的电压。

作为本发明一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置进一步的实施方式，开关管、续流二极管与直流环电流模块的输入输出关系由以下函数定义：

正半桥abc相开关器件电流为：i_S1＝i_a×SF_ap，i_S3＝i_b×SF_bp，i_S5＝i_c×SF_cp；

负半桥abc相开关器件电流为：i_S4＝i_a×SF_an，i_S6＝i_b×SF_bn，i_S2＝i_c×SF_cn；

三相电流为：i_a＝i_S1+i_S4，i_b＝i_S3+i_S6，i_c＝i_S5+i_S2；

开关管电流为：i_{S1_S}＝i_S1+i_{S1_D}，i_{S4_S}＝i_S4+i_{S4_D}；i_{S3_S}＝i_S3+i_{S3_D}，i_{S6_S}＝i_S6+i_{S6_D}；i_{S5_S}＝i_S5+i_{S5_D}，i_{S2_S}＝i_S2+i_{S2_D}；

直流电流为：i_DC＝i_S1+i_S3+i_S5；

其中i_{S1_S}，i_{S1_D}，i_{S4_S}，i_{S4_D}分别为a相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S3_S}，i_{S3_D}，i_{S6_S}，i_{S6_D}分别为b相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S5_S}，i_{S5_D}，i_{S2_S}，i_{S2_D}分别为c相正、负半桥开关管和续流二极管电流。

本发明还提供了一种双电平逆变器死区效应仿真建模方法的具体实施方式，输入开关管的门极触发脉冲经过开关函数模块分别输出至逆变桥模块和开关管、续流二极管与直流环电流模块，逆变桥模块输出逆变器各相的电压，开关管、续流二极管与直流环电流模块输出逆变器各相的电流，仿真建模方法还包括开关函数模拟过程、逆变桥模拟过程和开关管、续流二极管与直流环电流模拟过程，开关函数模拟过程包括以下步骤：

S101：定义a⁺，b⁺，c⁺，a^-，b^-，c^-分别为控制器输出至6个开关管的PWM开关逻辑信号；

S102：根据下式计算逆变器的abc三相正半桥开关函数，

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{ap}}=\left\{\begin{array}{cc}{a}^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ 1-a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bp}}=\left\{\begin{array}{cc}{b}^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ 1-b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cp}}=\left\{\begin{array}{cc}{c}^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ 1-c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

S103：根据下式计算逆变器的abc三相负半桥开关函数，

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{an}}=\left\{\begin{array}{cc}1-a^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-b^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-c^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

S104：根据下式计算全桥开关函数，

SF_a＝SF_ap-SF_an，SF_b＝SF_bp-SF_bn，SF_c＝SF_cp-SF_cn。

作为本发明一种双电平逆变器死区效应仿真建模方法进一步的实施方式，逆变桥模拟过程包括以下步骤：

S201：定义u_ao、u_bo、u_co分别为逆变器输出端a、b、c与直流电源中点o之间的电压，V_DC为直流环路电压，u_no为电机三相绕组中点n与直流电源中点o之间的电压；

S202：根据下式分别计算u_ao、u_bo、u_co，

u_ao＝0.5V_DC×SF_a，u_bo＝0.5V_DC×SF_b，u_co＝0.5V_DC×SF_c，u_no＝(1/3)(u_ao+u_bo+u_co)；

S203：根据下式分别计算相电压u_an、u_bn、u_cn，

u_an＝u_ao-u_no，u_bn＝u_bo-u_no，u_cn＝u_co-u_no；

S304：根据下式分别计算线电压u_ab、u_bc、u_ca，

u_ab＝u_ao-u_bo，u_bc＝u_bo-u_co，u_ca＝u_co-u_ao。

作为本发明一种双电平逆变器死区效应仿真建模方法进一步的实施方式，开关管、续流二极管与直流环电流模拟过程包括以下步骤：

S301：定义i_{S1_S}，i_{S1_D}，i_{S4_S}，i_{S4_D}分别为a相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S3_S}，i_{S3_D}，i_{S6_S}，i_{S6_D}分别为b相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S5_S}，i_{S5_D}，i_{S2_S}，i_{S2_D}分别为c相正、负半桥开关管和续流二极管电流；

S302：根据下式分别计算正半桥abc相开关器件电流i_S1、i_S3、i_S5，

i_S1＝i_a×SF_ap，i_S3＝i_b×SF_bp，i_s5＝i_c×SF_cp；

S303：根据下式分别计算负半桥abc相开关器件电流i_S4、i_S6、i_S2，

i_S4＝i_a×SF_an，i_S6＝i_b×SF_bn，i_S2＝i_c×SF_cn；

S304：根据下式分别计算三相电流i_a、i_b、i_c，

i_a＝i_S1+i_S4，i_b＝i_S3+i_S6，i_c＝i_S5+i_S2；

S305：根据下式分别计算开关管的电流，

i_S1＝i_{S1_S}-i_{S1_D}，i_S4＝i_{S4_S}-i_{S4_D}；

i_S3＝i_{S3_S}-i_{S3_D}，i_S6＝i_{S6_S}-i_{S6_D}；

i_S5＝i_{S5_S}-i_{S5_D}，i_S2＝i_{S2_S}-i_{S2_D}；

S306：根据下式分别计算直流电流i_DC，

i_DC＝i_S1+i_S3+i_S5。

通过实施本发明一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法的具体实施方式，利用开关函数搭建双电平逆变器模型及其死区效应，该模型可实现实时仿真系统中逆变器与电机模型的解耦，并考虑了触发脉冲存在死区时对逆变器输出带来的影响，针对死区效应对开关函数进行修正，建立了带死区效应的开关函数双电平逆变器模型，并通过仿真验证模型的正确性。解决了现有技术存在的仿真速度慢，解算不准确，当脉冲触发出现死区时，逆变器输出仿真结果与真实结果不完全一致，存在一定的误差的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术基于SimPowerSystem模块库中自带的双电平逆变器仿真模块示意图；

图2是现有技术利用simulink搭建的双电平逆变器仿真建模装置模型结构原理图；

图3是本发明双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式所应用的电源-滤波-逆变器-交流电机系统电路原理图；

图4是本发明双电平逆变器死区效应仿真建模装置不考虑死区效应时一种具体实施方式的开关函数模块simulink结构框图；

图5是本发明双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中的逆变桥模块simulink结构框图；

图6是本发明双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中的开关管、续流二极管和直流环电流模块simulink结构框图；

图7是本发明双电平逆变器死区效应仿真建模装置一种具体实施方式中的顶层simulink结构框图；

图8是本发明双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中的逆变器A相桥臂电流方向示意图；

图9是本发明双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中的一个开关过程的A相电压波形；

图10是本发明双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中开关过程中逆变器输出的波形图；

图11是本发明双电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中考虑死区效应时的开关函数模块simulink结构框图；

图12是双电平逆变器死区效应仿真建模装置输入不带死区的PWM波形时双电平逆变器输出三相电压的波形图；

图13是双电平逆变器死区效应仿真建模装置输入不带死区的PWM波形时双电平逆变器A相电压及相电流的波形图；

图14是双电平逆变器死区效应仿真建模装置输入不带死区的PWM波形时双电平逆变器第一桥臂电流的波形图；

图15是双电平逆变器死区效应仿真建模装置输入带死区的PWM波形时双电平逆变器输出三相电压的对比波形图；

图16是双电平逆变器死区效应仿真建模装置输入带死区的PWM波形时双电平逆变器A相脉冲，相电压及相电流的对比波形图；

图17是双电平逆变器死区效应仿真建模装置输入带死区的PWM波形时双电平逆变器第一桥臂电流的波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置的具体实施方式，本发明双电平逆变电路应用在电源-滤波-逆变器-交流电机系统的电路结构原理图及其工作原理如图3所示。该电路每一相的上下桥臂由两个全控器件串联构成，两个全控器件都反并联了二极管，两个串联器件的中点与三相交流电机的一相相连。

本发明具体实施方式所描述的一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置，包括开关函数模块1、逆变桥模块2和开关管、续流二极管与直流换电流模拟模块3，开关函数模块1的输入为开关管的门极触发脉冲，开关函数模块1分别与逆变桥模块2，以及开关管、续流二极管与直流环电流模拟模块3相连，逆变桥模块2输出逆变器各相的电压，开关管、续流二极管与直流换电流模拟模块3输出逆变器各相的电流。下面分模块对本发明的具体实施方式详细描述如下。

1、开关函数模块：

当考虑死区效应时，驱动信号产生模块为了避免逆变器直通，逆变器同一桥臂的PWM驱动信号间加入一段死区时间，死区效应与逆变器功率器件的续流回路有关。以A相桥臂为例，假设电流i_a流出桥臂为正电流，流入桥臂为负电流，如图8所示。

当i_a＞0时，死区存在于两个开关时刻：①VT1导通，VT4关断；②VT1关断，VT4导通。通过分析这两个死区时间内的电流续流回路，可得实际电压如图9d所示。同理，当i_a＜0时，实际电压如图9e所示。

当不考虑死去效应时，采用实际控制器输出的6个PWM开关逻辑信号a⁺，b⁺，c⁺；a^-，b^-，c^-，定义逆变器abc三相正半桥开关函数为：

SF_ap＝1×a⁺，SF_bp＝1×b⁺，SF_cp＝1×c⁺；

负半桥开关函数为：

SF_an＝1×a^-，SF_bn＝1×b^-，SF_cn＝1×c^-；

则全桥开关函数为：

SF_a＝SF_ap-SF_an，SF_b＝SF_bp-SF_bn，SF_c＝SF_cp-SF_cn。

根据以上关系可以得出开关函数的simulink框图如图4所示。

当考虑死区效应时，根据以上分析可知，实际输出电压与理想输出电压相差一个脉冲误差电压。因此开关函数不能只由采用实际控制器输出的6个PWM开关逻辑信号a⁺，b⁺，c⁺；a^-，b^-，c^-定义，而根据电流的方向分析此时刻的逆变器情况。

以A相为例，分析输入带死区的触发脉冲时，逆变器的电压输出波形。当逆变器触发脉冲为带死区的PWM波形，如图10b所示。若逆变器不考虑死区效应，仍按照上述方法计算开关函数，再计算得逆变器输出电压，则可得以下电压波形，如图10c所示。该波形与实际电压波形图10d所示并不一致，存在图中阴影处所示的误差。因此，要得到正确的电压输出，并不能按照以上方法计算开关函数，而因根据电流的方向分析此时刻逆变器的情况，即因结合电流方向分析计算开关函数。

根据图10d分析带死区的逆变器电压波形与开关管的关系。由图可见，当i_a＞0时，输出电压的波形与VT1的开关是成正比的关系，当VT1导通时，电压输出为+1/2Ud，当VT1关断时，电压输出为-1/2Ud；当i_a＜0时，则输出电压的波形的相反数与VT4的开关是成正比的关系，当VT4导通时，电压输出为-1/2Ud，当VT4关断时，电压输出为+1/2Ud。

由此，根据以上关于死区效应对逆变器开关函数的影响分析，结合之前未考虑死区效应的逆变器开关函数的建模方法，分析出考虑死区效应的开关函数的计算方法。

实际控制器输出的6个PWM开关逻辑信号仍然定义为a⁺，b⁺，c⁺；a^-，b^-，c^-，考虑死区效应的逆变器abc三相正半桥开关函数则为：

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{ap}}=\left\{\begin{array}{cc}{a}^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ 1-a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bp}}=\left\{\begin{array}{cc}{b}^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ 1-b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cp}}=\left\{\begin{array}{cc}{c}^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ 1-c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

逆变器的abc三相负半桥开关函数为：

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{an}}=\left\{\begin{array}{cc}1-a^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-b^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-c^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

全桥开关函数为：

SF_a＝SF_ap-SF_an，SF_b＝SF_bp-SF_bn，SF_c＝SF_cp-SF_cn。

根据以上理论搭建simulink模块，得出考虑死区的开关函数simulink框图如错误！未找到引用源。所示。

2、逆变桥模块：

逆变器输出端abc与直流电源中点o之间的电压为

u_ao＝0.5V_DC×SF_a，u_bo＝0.5V_DC×SF_b，u_co＝0.5V_DC×SF_c。

其中：V_DC为直流环路电压。由此得到线电压为：

u_ab＝u_ao-u_bo，u_bc＝u_bo-u_co，u_ca＝u_co-u_ao

相电压为：u_an＝u_ao-u_no，u_bn＝u_bo-u_no，u_cn＝u_co-u_no

式中，u_no＝(1/3)(u_ao+u_bo+u_co)为电机三相绕组中点n与直流电源中点o之间的电压。

据此可以得出逆变桥的电压的simulink框图如图5所示。

3、开关管、续流二极管与直流环电流模块：

正半桥abc相开关器件电流为：i_S1＝i_a×SF_ap，i_S3＝i_b×SF_bp，i_S5＝i_c×SF_cp；

负半桥abc相开关器件电流为：i_S4＝i_a×SF_an，i_S6＝i_b×SF_bn，i_s2＝i_c×SF_cn；

三相电流为：i_a＝i_S1+i_S4，i_b＝i_S3+i_S6，i_c＝i_S5+i_S2；

开关管电流为：i_{S1_S}＝i_S1+i_{S1_D}，i_{S4_S}＝i_S4+i_{S4_D}；i_{S3_S}＝i_S3+i_{S3_D}，i_{S6_S}＝i_S6+i_{S6_D}；i_{S5_S}＝i_S5+i_{S5_D}，i_{S2_S}＝i_S2+i_{S2_D}；

直流电流为：i_DC＝i_S1+i_S3+i_S5；

其中i_{S1_S}，i_{S1_D}，i_{S4_S}，i_{S4_D}分别为a相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S3_S}，i_{S3_D}，i_{S6_S}，i_{S6_D}分别为b相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S5_S}，i_{S5_D}，i_{S2_S}，i_{S2_D}分别为c相正、负半桥开关管和续流二极管电流。

根据以上关系，可建立开关管、续流二极管和直流环电流模块的simulink框图如图6所示，图中仅以a相为例，对于b相和c相参照a相也有相同的模型设计。

由以上各部分框图组合起来就可以到整个逆变器的simulink框图模型如图7所示。

一种双电平逆变器死区效应仿真建模方法的具体实施方式，输入开关管的门极触发脉冲经过开关函数模块1分别输出至逆变桥模块2和开关管、续流二极管与直流环电流模块3，逆变桥模块2输出逆变器各相的电压，开关管、续流二极管与直流环电流模块3输出逆变器各相的电流，仿真建模方法还包括开关函数模拟过程、逆变桥模拟过程和开关管、续流二极管与直流环电流模拟过程，开关函数模拟过程包括以下步骤：

S101：定义a⁺，b⁺，c⁺，a^-，b^-，c^-分别为控制器输出至6个开关管的PWM开关逻辑信号；

S102：根据下式计算逆变器的abc三相正半桥开关函数，

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{ap}}=\left\{\begin{array}{cc}{a}^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ 1-a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bp}}=\left\{\begin{array}{cc}{b}^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ 1-b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cp}}=\left\{\begin{array}{cc}{c}^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ 1-c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

S103：根据下式计算逆变器的abc三相负半桥开关函数，

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{an}}=\left\{\begin{array}{cc}1-a^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-b^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-c^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

S104：根据下式计算全桥开关函数，

SF_a＝SF_ap-SF_an，SF_b＝SF_bp-SF_bn，SF_c＝SF_cp-SF_cn。

逆变桥模拟过程包括以下步骤：

S201：定义u_ao、u_bo、u_co分别为逆变器输出端a、b、c与直流电源中点o之间的电压，V_DC为直流环路电压，u_no为电机三相绕组中点n与直流电源中点o之间的电压；

S202：根据下式分别计算u_ao、u_bo、u_co，

u_ao＝0.5V_DC×SF_a，u_bo＝0.5V_DC×SF_b，u_co＝0.5V_DC×SF_c，u_no＝(1/3)(u_ao+u_bo+u_co)；

S203：根据下式分别计算相电压u_an、u_bn、u_cn，

u_an＝u_ao-u_no，u_bn＝u_bo-u_no，u_cn＝u_co-u_no；

S304：根据下式分别计算线电压u_ab、u_bc、u_ca，

u_ab＝u_ao-u_bo，u_bc＝u_bo-u_co，u_ca＝u_co-u_ao。

开关管、续流二极管与直流环电流模拟过程包括以下步骤：

S301：定义i_{S1_S}，i_{S1_D}，i_{S4_S}，i_{S4_D}分别为a相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S3_S}，i_{S3_D}，i_{S6_S}，i_{S6_D}分别为b相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S5_S}，i_{S5_D}，i_{S2_S}，i_{S2_D}分别为c相正、负半桥开关管和续流二极管电流；

S302：根据下式分别计算正半桥abc相开关器件电流i_S1、i_S3、i_S5，

i_S1＝i_a×SF_ap，i_S3＝i_b×SF_bp，i_S5＝i_c×SF_cp；

S303：根据下式分别计算负半桥abc相开关器件电流i_S4、i_S6、i_S2，

i_S4＝i_a×SF_an，i_S6＝i_b×SF_bn，i_S2＝i_c×SF_cn；

S304：根据下式分别计算三相电流i_a、i_b、i_c，

i_a＝i_S1+i_S4，i_b＝i_S3+i_S6，i_c＝i_S5+i_S2；

S305：根据下式分别计算开关管的电流，

i_S1＝i_{S1_S}-i_{S1_D}，i_S4＝i_{S4_S}-i_{S4_D}；

i_S3＝i_{S3_S}-i_{S3_D}，i_S6＝i_{S6_S}-i_{S6_D}；

i_S5＝i_{S5_S}-i_{S5_D}，i_S2＝i_{S2_S}-i_{S2_D}；

S306：根据下式分别计算直流电流i_DC，

i_DC＝i_S1+i_S3+i_S5。

4、仿真结果：

用MATLAB离线仿真验证该带死区效应的双电平逆变器模型，中间电压输入常量，逆变器负载为阻感性负载，逆变器触发脉冲使用simulink里的脉冲发生器发出。

(1)输入不带死区的PWM波形时逆变器仿真结果

对比考虑死区效应和未考虑死区效应的双电平逆变器仿真波形。图12-图14为输入不带死区的PWM波形时的两个逆变器的仿真结果。

图12为输入不带死区的PWM波形时逆变器输出的三相电压。

图13为输入不带死区的PWM波形时逆变器A相电压和相电流，上图为双电平逆变器A相电压，下图为A相电流波形。

图14为输入不带死区的PWM波形时逆变器第一桥臂电流，由上至下分别为第一桥臂电流，第一桥臂晶闸管电流，第一桥臂续流二极管电流。

由图可见，输入不带死区的PWM波形时，考虑死区效应的双电平逆变器和不考虑死区效应的双电平逆变器输出波形完全重合。

(2)输入带死区的PWM波形时逆变器仿真结果

图15-图17为输入带死区的PWM波形时，考虑死区效应的双电平逆变器和不考虑死区效应的双电平逆变器的对比波形，死区为120e^-4秒。图15为输入带死区的PWM波形时，双电平逆变器输出的三相电压对比波形。

图16为输入带死区的PWM波形时，双电平逆变器的A相脉冲，相电压和相电流。从上到下依次为，为A相脉冲(A为VT4触发脉冲，B为VT1触发脉冲)，相电压，相电流对比波形。由图可见，当i_a＞0时，A相电压波形与VT1脉冲相一致，当i_a＜0时，电压波形与VT4脉冲相反。仿真波形与理论分析的带死区逆变器实际电压波形一致，由此验证了建模和仿真的正确性。

图17为输入带死区的PWM波形时，双电平逆变器输出的第一桥臂电流对比波形，由上至下分别为第一桥臂电流，第一桥臂晶闸管电流，第一桥臂续流二极管电流。

本发明利用开关函数搭建双电平逆变器模型及其死区效应。该模型既可实现实时仿真系统中逆变器与电机模型的解耦，并真实的反映了死区效应对逆变器输出的影响。该模型相对简单，占用内存少，具有高实时性；通过验证，具有较高的仿真精度；经长时间连续运行，没有出现数值不稳定问题，可见具有高稳定性。该模型增加了死区效应的影响，进一步完善了双电平逆变器开关函数模型，能有效地适应于各种情况。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置，其特征在于，包括开关函数模块(1)、逆变桥模块(2)和开关管、续流二极管与直流环电流模块(3)，开关函数模块(1)的输入为开关管的门极触发脉冲，开关函数模块(1)分别与逆变桥模块(2)，以及开关管、续流二极管与直流环电流模块(3)相连，逆变桥模块(2)输出逆变器各相的电压，开关管、续流二极管与直流环电流模块(3)输出逆变器各相的电流，其中开关函数模块(1)的输入输出关系由以下函数定义：

逆变器的abc三相正半桥开关函数为：

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{ap}}=\left\{\begin{array}{cc}{a}^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ 1-a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bp}}=\left\{\begin{array}{cc}{b}^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ 1-b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cp}}=\left\{\begin{array}{cc}{c}^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ 1-c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

逆变器的abc三相负半桥开关函数为：

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{an}}=\left\{\begin{array}{cc}1-a^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-b^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-c^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

全桥开关函数为：

SF_a＝SF_ap-SF_an，SF_b＝SF_bp-SF_bn，SF_c＝SF_cp-SF_cn；

其中，a⁺，b⁺，c⁺；a^-，b^-，c^-分别为控制器输出至6个开关管的PWM开关逻辑信号。

2.根据权利要求1所述的一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置，其特征在于：所述逆变桥模块(2)的输入输出关系由以下函数定义：

相电压为：u_an＝u_ao-u_no，u_bn＝u_bo-u_no，u_cn＝u_co-u_no；

线电压为：u_ab＝u_ao-u_bo，u_bc＝u_bo-u_co，u_ca＝u_co-u_ao；

其中，u_ao＝0.5V_DC×SF_a，u_bo＝0.5V_DC×SF_b，u_co＝0.5V_DC×SF_c，u_no＝(1/3)(u_ao+u_bo+u_co)，u_ao、u_bo、u_co分别为逆变器输出端a、b、c与直流电源中点o之间的电压，V_DC为直流环路电压，u_no为电机三相绕组中点n与直流电源中点o之间的电压。

3.根据权利要求1或2所述的一种双电平逆变器死区效应仿真建模装置，其特征在于：所述开关管、续流二极管与直流环电流模块(3)的输入输出关系由以下函数定义：

正半桥abc相开关器件电流为：i_S1＝i_a×SF_ap，i_S3＝i_b×SF_bp，i_S5＝i_c×SF_cp；

负半桥abc相开关器件电流为：i_S4＝i_a×SF_an，i_S6＝i_b×SF_bn，i_S2＝i_c×SF_cn；

三相电流为：i_a＝i_S1+i_S4，i_b＝i_S3+i_S6，i_c＝i_S5+i_S2；

开关管电流为：i_{S1_S}＝i_S1+i_{S1_D}，i_{S4_S}＝i_S4+i_{S4_D}；i_{S3_S}＝i_S3+i_{S3_D}，i_{S6_S}＝i_S6+i_{S6_D}；i_{S5_S}＝i_S5+i_{S5_D}，i_{S2_S}＝i_S2+i_{S2_D}；

直流电流为：i_DC＝i_S1+i_S3+i_S5；

其中i_{S1_S}，i_{S1_D}，i_{S4_S}，i_{S4_D}分别为a相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S3_S}，i_{S3_D}，i_{S6_S}，i_{S6_D}分别为b相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S5_S}，i_{S5_D}，i_{S2_S}，i_{S2_D}分别为c相正、负半桥开关管和续流二极管电流。

4.一种根据权利要求1所述的双电平逆变器死区效应仿真建模装置进行仿真建模的方法，其特征在于：输入开关管的门极触发脉冲经过开关函数模块(1)分别输出至逆变桥模块(2)和开关管、续流二极管与直流环电流模块(3)，逆变桥模块(2)输出逆变器各相的电压，开关管、续流二极管与直流环电流模块(3)输出逆变器各相的电流，仿真建模方法还包括开关函数模拟过程、逆变桥模拟过程和开关管、续流二极管与直流环电流模拟过程，开关函数模拟过程包括以下步骤：

S101：定义a⁺，b⁺，c⁺，a^-，b^-，c^-分别为控制器输出至6个开关管的PWM开关逻辑信号；

S102：根据下式计算逆变器的abc三相正半桥开关函数，

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{ap}}=\left\{\begin{array}{cc}{a}^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ 1-a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bp}}=\left\{\begin{array}{cc}{b}^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ 1-b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cp}}=\left\{\begin{array}{cc}{c}^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ 1-c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

S103：根据下式计算逆变器的abc三相负半桥开关函数，

${\mathrm{SF}}_{\mathrm{an}}=\left\{\begin{array}{cc}1-a^{+},& i_a\&GreaterEqual;0\\ a^{-},& i_a<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{bn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-b^{+},& i_b\&GreaterEqual;0\\ b^{-},& i_b<0\end{array}\right.,$ ${\mathrm{SF}}_{\mathrm{cn}}=\left\{\begin{array}{cc}1-c^{+},& i_c\&GreaterEqual;0\\ c^{-},& i_c<0\end{array}\right.;$

S104：根据下式计算全桥开关函数，

SF_a＝SF_ap-SF_an，SF_b＝SF_bp-SF_bn，SF_c＝SF_cp-SF_cn。

5.根据权利要求4所述的一种双电平逆变器死区效应仿真建模方法，其特征在于：所述的逆变桥模拟过程包括以下步骤：

S201：定义u_ao、u_bo、u_co分别为逆变器输出端a、b、c与直流电源中点o之间的电压，V_DC为直流环路电压，u_no为电机三相绕组中点n与直流电源中点o之间的电压；

S202：根据下式分别计算u_ao、u_bo、u_co，

u_ao＝0.5V_DC×SF_a，u_bo＝0.5V_DC×SF_b，u_co＝0.5V_DC×SF_c，u_no＝(1/3)(u_ao+u_bo+u_co)；

S203：根据下式分别计算相电压u_an、u_bn、u_cn，

u_an＝u_ao-u_no，u_bn＝u_bo-u_no，u_cn＝u_co-u_no；

S304：根据下式分别计算线电压u_ab、u_bc、u_ca，

u_ab＝u_ao-u_bo，u_bc＝u_bo-u_co，u_ca＝u_co-u_ao。

6.根据权利要求4或5所述的一种双电平逆变器死区效应仿真建模方法，其特征在于：所述的开关管、续流二极管与直流环电流模拟过程包括以下步骤：

S301：定义i_{S1_S}，i_{S1_D}，i_{S4_S}，i_{S4_D}分别为a相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S3_S}，i_{S3_D}，i_{S6_S}，i_{S6_D}分别为b相正、负半桥开关管和续流二极管电流；i_{S5_S}，i_{S5_D}，i_{S2_S}，i_{S2_D}分别为c相正、负半桥开关管和续流二极管电流；

S302：根据下式分别计算正半桥abc相开关器件电流i_S1、i_S3、i_S5，

i_S1＝i_a×SF_ap，i_S3＝i_b×SF_bp，i_S5＝i_c×SF_cp；

S303：根据下式分别计算负半桥abc相开关器件电流i_S4、i_S6、i_S2，

i_S4＝i_a×SF_an，i_S6＝i_b×SF_bn，i_S2＝i_c×SF_cn；

S304：根据下式分别计算三相电流i_a、i_b、i_c，

i_a＝i_S1+i_S4，i_b＝i_S3+i_S6，i_c＝i_S5+i_S2；

S305：根据下式分别计算开关管的电流，

i_S1＝i_{S1_S}-i_{S1_D}，i_S4＝i_{S4_S}-i_{S4_D}；

i_S3＝i_{S3_S}-i_{S3_D}，i_S6＝i_{S6_S}-i_{S6_D}；

i_S5＝i_{S5_S}-i_{S5_D}，i_S2＝i_{S2_S}-i_{S2_D}；

S306：根据下式分别计算直流电流i_DC，

i_DC＝i_S1+i_S3+i_S5。

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