CN102843059B - 电压型逆变器死区补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压型逆变器死区补偿方法，涉及电力电子电路控制技术领域，包括以下步骤：S1：检测所述电压型逆变器的三个桥臂上侧的开关管的实际导通时间t_A、t_B、t_C；S2：用理想的导通时间t_A*、t_B*、t_C*减去所述实际导通时间t_A、t_B、t_C得到死区时间t_dA、t_dB、t_dC；S3：根据所述t_dA、t_dB、t_dC进行死区补偿。还公开了一种电压型逆变器死区补偿装置。本发明能够得到精确度较高的死区时间，从而进行精确度较高的死区补偿。

Description

电压型逆变器死区补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及电力电子电路控制技术领域，特别涉及一种电压型逆变器的开关管检测电路及死区补偿方法及装置。

背景技术

三相电压型逆变器(VSI)由三个对称桥臂组成，每个桥臂包含上下两个功率开关器件，构成三相对称桥式电路，如图1所示。三相桥式电路一般采用脉冲调制方法进行控制，即按照特定的规律轮流控制上下开关器件的开通和关断，以实现对输出电压、电流的控制。无论采用何种调制方式，同一桥臂上下两个开关器件的开关信号都必须是互补的。由于元器件的离散性，很有可能出现同一桥臂一侧开关器件尚未完全关断，而另一侧开关器件又已开通，形成所谓“直通”现象。一旦形成直通，母线直流电压将经由两个直通的开关器件形成回路，导致开关器件过流损坏。为防止同一桥臂开关器件同时导通，必须在其驱动信号中插入一段“死区时间”。在该段时间内，上下开关器件均处于可靠关断状态。

死区产生机理：

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，如图2所示，假设电流i_a流出桥臂为正电流，流入桥臂为负电流，如图3所示。当i_a＞0时，死区存在于两个开关时刻：①T1导通，T4关断；②T1关断，T4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3中的d所示。同理，当i_a＜0时，实际电压如图3中的e所示。

图3中，t_d为死区时间，t_on为功率管导通时间，t_off为功率管关断时间，U_dc为直流母线电压。由以上分析可知，实际输出电压与理想的输出电压相差一个脉冲误差电压。采用等时间电压面积法，可得误差电压平均值为：

${\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{AN}}=\left\{\begin{array}{c}{f}_c{T}_d{U}_{\mathrm{dc}}(i_a>0)\\ -f_c{T}_d{U}_{\mathrm{dc}}(i_a<0)\end{array}\right.$

其中，T_d＝t_d+t_on-t_off，f_c＝1/T_pwm，其中，f_c为载波频率(开关频率)。

一个开关周期内，实际输出电压平均值u_AN、理想的输出电压平均值u_AN0与误差电压平均值Δu_AN的关系为：

u_AN＝u_AN0-Δu_AN

死区在有效避免直通的同时，也会带来一系列不良影响：使逆变器输出电压基波幅值降低，低次谐波增加，电流波形发生畸变。如果所带负载为电机，则会增加电机谐波损耗；死区引起的转矩脉冲，严重影响电机的低频调速性能。由死区引起的输出特性变化，成为“死区效应”。现有资料表明，逆变器的开关频率越高，死区效应越显著；逆变器输出调制比越低，死区效应越显著。因此，需要进行死区补偿。

死区补偿可以根据电机三相电流的方向，分别对三个桥臂的死区进行补偿。此类方法的关键在于电流方向的检测。

直接检测电流过零点，受噪声、高频干扰以及过零“台阶”等影响，很难准确确定电流的过零点。

电流重构方法间接确定电流过零点，该方法受电流矢量角的估算精度影响较大，低频和零频时电流矢量角的估算精度很难得到保证，从而影响死区的正确补偿，而且开关器件的导通时间和关断时间受结温和导通电流的影响而会有所变化。

因此，上述死区补偿方法的精确度较低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何对逆变器进行精确度较高的死区补偿。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电压型逆变器死区补偿方法，包括以下步骤：

S1：检测所述电压型逆变器的三个桥臂上侧的开关管的实际导通时间t_A、t_B、t_C；

S2：用理想的导通时间t_A*、t_B*、t_C*减去所述实际导通时间t_A、t_B、t_C得到死区时间t_dA、t_dB、t_dC；

S3：根据所述t_dA、t_dB、t_dC进行死区补偿。

其中，所述步骤S1具体包括：

检测每个桥臂上下两个开关管之间的电压；

当所述电压为高电平时，以基准时钟为标准开始计数，所述基准时钟的频率为f；

当所述电压变为低电平时，停止计数，此时计数值分别为n_A、n_B、n_C，则t_A＝n_A/f、t_B＝n_B/f、t_C＝n_C/f。

其中，还包括步骤：根据所述t_A、t_B、t_C和直流母线电压U_dc计算逆变器实际输出的电压：

U_A＝U_dc×(2t_A-t_B-t_C)/3T_PWM；

U_B＝U_dc×(2t_B-t_A-t_C)/3T_PWM；

U_C＝U_dc×(2t_C-t_B-t_A)/3T_PWM。

本发明还提供了一种电压型逆变器死区补偿装置，包括：

逆变器开关管实际导通时间检测电路，用于检测所述电压型逆变器的三个桥臂上侧的开关管的实际导通时间；

主控制器，连接所述逆变器开关管实际导通时间检测电路，用于根据所述开关管的实际导通时间和理想的导通时间计算死区时间，并进行死区补偿。

其中，所述逆变器开关管实际导通时间检测电路，包括：计数模块、电压三个光电隔离器和三个反相器，每个光电隔离器的第一端连接在逆变器的一个桥臂的两个开关管之间，三个光电隔离器连接不同的桥臂，第二端连接电源负极，第三端接地，第四端连接供电电源并通过所述反相器连接所述计数模块，用于根据桥臂上侧开关管的开/关而导通/关闭，并将所述两个开关管之间电压传输到计数模块，所述计数模块包括：三个计数器，用于接收三个光电隔离器传输过来的电压，并根据基础时钟进行计数，得到所述开关管的实际导通时间。

其中，所述光电隔离器为6N137。

其中，所述三个计数器采用CPLD或FPGA构建。

其中，所述主控制器包括：

实时死区计算模块，连接所述逆变器开关管实际导通时间检测电路，用于根据所述开关管的实际导通时间和理想的导通时间计算死区时间；

补偿模块，连接所述实时死区计算模块，并连接所述电压型逆变器的开关管的控制端，用于根据所述死区时间进行死区补偿。

其中，所述主控制器还包括：逆变器实际输出电压计算模块，连接所述逆变器开关管实际导通时间检测电路，用于计算逆变器实际输出的电压。

其中，所述主控制器为数字信号处理DSP器件。

(三)有益效果

本发明通过检测开关管实际导通时间，能够得到精确度较高的死区时间，从而进行精确度较高的死区补偿，克服了直接检测电流的死区补偿方法的弊端，能够真实反映开关器件实际死区时间受环境因素的影响，同时可以得到逆变器的实际输出电压。

附图说明

图1是电压型逆变器三相交流电动机作为负载时的拓扑结构图；

图2是图1中电压型逆变器A桥臂电流方向示意图；

图3是电压型逆变器死区效应分析示意图；

图4是本发明实施例的一种电压型逆变器死区补偿方法流程图；

图5是实现图4中方法的一种电压型逆变器死区补偿装置结构示意图；

图6是图5中逆变器的开关管实际开通时间检测电路图；

图7是本发明实施例逆变器实际死区检测结果；

图8a是本发明实施例未做死区补偿电机电流波形；

图8b是本发明实施例常规死区补偿电机电流波形；

图8c是本发明实施例采用本发明死区补偿电机电流波形；

图9a是本发明实施例未做死区补偿电机电压波形；

图9b是本发明实施例常规死区补偿电机电压波形；

图9c是本发明实施例采用本发明死区补偿电机电压波形；

图10a是本发明实施例未做死区补偿电机电流谐波分析；

图10b是本发明实施例常规死区补偿电机电流谐波分析；

图10c是本发明实施例采用本发明死区补偿电机电流谐波分析；

图11a是本发明实施例未做死区补偿电机电压谐波分析；

图11b是本发明实施例常规死区补偿电机电压谐波分析；

图11c是本发明实施例采用本发明死区补偿电机电压谐波分析。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图4所示，为本发明的电压型逆变器死区补偿方法流程图，包括：

步骤S401，检测所述电压型逆变器的三个桥臂上侧的开关管的实际导通时间t_A、t_B、t_C。本发明采用硬件的方式检测t_A、t_B、t_C，具体电路结构如图6所示，图中只示出了该电路与逆变器其中一个桥臂连接的情况。光电隔离器2(采用6N137型的高速光电隔离器)通过电阻R连接在逆变器其中一个桥臂的上下两个开关管T1和T4之间，同时连接电机6的A相(其余两个光电隔离器2连接在逆变器另外两个桥臂上下两个开关管之间，同时连接电机6的B相和C相)。在死区时间段，由于续流作用，高速光电隔离器将按照A相的实际电压(如图3中的d，e)导通/关断，数字信号apulse将反映出死区波形；在非死区时间段，高速光电隔离器将根据开关管T1的开/关情况而导通/关断。由此可知，按图6所示电路可以得到逆变器输出电压的实际波形。并经过反相器3传输到计数模块5。图中，apluse、bpulse、cpulse分别为A、B、C相实际电压波形的数字信号。计数模块5内构造三个16位计数器timer1、timer2、timer3，分别计算T1、T3、T5(图1中可看出T3和T5)在一个开关周期内的实际导通时间t_A、t_B、t_C。具体计数方法如下：

当apulse为“1”(实际电压为高)时，timer1以基准时钟4为时基准进行计数。当apulse为“0”(实际电压为低)时，timer1停止计数。B、C相同理。控制器在每个开关周期，读取一次三个计数器的值，而后将三个计数器清零。记基准时钟频率为f，开关频率为f_c。若某一开关周期中，三个计数器的计数值分别为n_A、n_B、n_C，则在这个开关周期内，T1、T3、T5的实际导通时间为：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_A=n_A/f\\ t_B=n_B/f\\ t_C=n_C/f\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，计数器可采用CPLD或FPGA构建，如：CPLD采用ALTERA公司推出的MAX3128A。

步骤S402，用理想的导通时间t*减去所述实际导通时间t_A、t_B、t_C得到死区时间t_dA、t_dB、t_dC。理想的导通时间是指理论上(排除硬件、环境等因素的影响)计算出的导通时间。

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{\mathrm{dA}}=t_{A*}-t_A\\ t_{\mathrm{dB}}=t_{B*}-t_B\\ t_{\mathrm{dC}}=t_{C*}-t_C\end{array}\right.---\left(2\right)$

步骤S403，根据所述t_dA、t_dB、t_dC进行死区补偿。由步骤S402中得到的实时死区时间t_dA、t_dB、t_dC包含了电流符号。按以下公式将理想的导通时间加上检测到的死区时间就可进行死区补偿，避免了电流方向的判断。

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{A^{\&prime;}}=t_{A*}+t_{\mathrm{dA}}\\ t_{B^{\&prime;}}=t_{B*}+t_{\mathrm{dB}}\\ t_{C^{\&prime;}}=t_{C*}+t_{\mathrm{dC}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

如果逆变器所带负载为三相星形连接的对称负载，根据检测到的开关管实际导通时间(t_A、t_B、t_C)，在一个开关周期内，负载相电压(即：逆变器实际输出的电压)可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_A=U_{\mathrm{dc}}\&times;(2t_A-t_B-t_C)/3T_{\mathrm{PWM}}\\ U_B=U_{\mathrm{dc}}\&times;({2t}_B-t_A-t_C)/3T_{\mathrm{PWM}}\\ U_C=U_{\mathrm{dc}}\&times;({2t}_C-t_B-t_A)/3T_{\mathrm{PWM}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，T_PWM＝1/f_c为开关周期。U_dc为母线电压。

本发明还提供了一种电压型逆变器死区补偿装置，如图5所示，包括：逆变器开关管实际导通时间检测电路，用于检测所述电压型逆变器的三个桥臂上侧的开关管的实际导通时间。

主控制器，连接所述逆变器开关管实际导通时间检测电路，用于根据所述开关管的实际导通时间和理想的导通时间计算死区时间，并进行死区补偿。

本实施例中，逆变器开关管实际导通时间检测电路如图6所示(图中只示出了该电路与逆变器其中一个桥臂连接的情况，该桥臂上的开关管为T1、T4)包括：计数模块5、三个光电隔离器2和三个反相器3，每个光电隔离器的第一端连接在逆变器的一个桥臂的两个开关管之间，图中光电隔离器2(采用6N137型的高速光电隔离器)通过电阻R连接在逆变器其中一个桥臂的上下两个开关管T1和T4之间，同时连接电机6的A相(其余两个光电隔离器2连接在逆变器另外两个桥臂上下两个开关管之间，同时连接电机6的B相和C相)。三个光电隔离器2连接不同的桥臂，第二端连接电源负极，第三端接地，第四端连接供电电源并通过所述反相器3(具体为施密特反相器)连接所述计数模块5，用于根据桥臂上侧开关管的开/关而导通/关闭，并将两个开关管之间电压传输到计数模块5，计数模块5包括：三个计数器，用于接收三个光电隔离器2传输过来的电压，根据基础时钟进行计数，并根据计数和基准时钟频率f，利用公式(1)计算开关管的实际导通时间，即T1、T3、T5(图1中示出了T3和T5)的实际导通时间。三个计数器可采用CPLD或FPGA构建，如：CPLD采用ALTERA公司推出的MAX3128A。

计数模块5将三个计数器得到的实际导通时间传输给主控制器。实时死区计算模块，死区计算模块根据公式(2)计算死区时间，并将计算的死区时间传输给主控制器，主控制器根据公式(3)的方式进行补偿。

本实施例中，主控制器包括：

实时死区计算模块，连接逆变器开关管实际导通时间检测电路，具体连接其中的计数模块5，根据计算模块5传输的开关管实际导通时间利用上述公式(2)计算实时的死区时间，并将该实时的死区时间传输给补偿模块。

补偿模块，连接所述实时死区计算模块，并连接所述电压型逆变器的开关管的控制端，即图6中T1的P端和T4的Q端(当然，控制端还包括：T3的P端和T6的Q端，T5的P端和T2的Q端)。用于根据上述公式(3)计算出补偿时间，并将该补偿时间通过P端和Q端输入给T1和T4，同时也输入T3和T6、T5和T2，以进行死区补偿(T4，T6，T2是T1，T3，T5的互补信号，补偿了T1，T3，T5，那么T4，T6，T2也就自动补偿了)。

本实施例的主控制器还包括：逆变器实际输出电压计算模块，连接所述逆变器开关管实际导通时间检测电路，用于根据公式(4)计算逆变器实际输出的电压。

对本实施例做了如下实验：

主控制器采用TI公司的DSP器件TMS320F2812，逆变器采用三菱公司的PM30CSJ060型IPM模块，负载为三相交流异步电动机，电机额定功率2.2Kw，额定电压380V，额定电流4.9A，额定转速1430r/min，额定频率50Hz，死区时间设定为t_d＝3.6us，开关频率f_c＝5kHz，系统运行频率为f_e＝5Hz，电流由电流霍尔检测再经软件滤波后得到。实际电压按式(4)计算。本发明检测到的实际死区时间如图7所示，比较了未作死区补偿、常规死区补偿方法和本发明方法的空载电流波形、电压波形以及谐波分析，如图8～11所示。通过比较可知，本发明较之直接检测过零点法，能使低次谐波含量降到更低的程度，特别是0、5、7次谐波。(1)电流信号：未补偿时0、5、7次谐波含量分别为5.26％、5.88％、3.57％；按本文方法补偿后分别为2.38％、2.54％、1.35％；按检测过零点方法补偿后分别为3.02％、3.63％、2.01％。(2)电压信号：未补偿时0、5、7次谐波含量分别为1.57％、2.62％、1.58％；按本文方法补偿后分别为0.92％、1.40％、0.81％；按检测过零点方法补偿后分别为1.11％、1.50％、0.86％。通过附图可知，本发明可以获得实际死区时间和电机实际相电压，利用检测到的实际死区时间进行死区补偿可以有效地抑制谐波，改善电流和电压波形，避免了电流过零点的检测和估计。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种电压型逆变器死区补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：检测所述电压型逆变器的三个桥臂上侧的开关管的实际导通时间t_A、t_B、t_C；

S2：用理想的导通时间t_A*、t_B*、t_C*减去所述实际导通时间t_A、t_B、t_C得到死区时间t_dA、t_dB、t_dC；

S3：根据所述t_dA、t_dB、t_dC进行死区补偿；

其中，所述步骤S1具体包括：

检测每个桥臂上下两个开关管之间的电压；

当所述电压为高电平时，以基准时钟为标准开始计数，所述基准时钟的频率为f；

当所述电压变为低电平时，停止计数，此时计数值分别为n_A、n_B、n_C，则t_A＝n_A/f、t_B＝n_B/f、t_C＝n_C/f。

2.如权利要求1所述的电压型逆变器死区补偿方法，其特征在于，还包括步骤：根据所述t_A、t_B、t_C和直流母线电压U_dc计算逆变器实际输出的电压：

U_A＝U_dc×(2t_A－t_B－t_C)/3T_PWM；

U_B＝U_dc×(2t_B－t_A－t_C)/3T_PWM；

U_C＝U_dc×(2t_C－t_B－t_A)/3T_PWM，其中，T_PWM为开关周期。

3.一种电压型逆变器死区补偿装置，其特征在于，包括：

逆变器开关管实际导通时间检测电路，用于检测所述电压型逆变器的三个桥臂上侧的开关管的实际导通时间；

主控制器，连接所述逆变器开关管实际导通时间检测电路，用于根据所述开关管的实际导通时间和理想的导通时间计算死区时间，并进行死区补偿；

其中，所述逆变器开关管实际导通时间检测电路，包括：计数模块、三个光电隔离器和三个反相器，每个光电隔离器的第一端连接在逆变器的一个桥臂的两个开关管之间，三个光电隔离器连接不同的桥臂，第二端连接电源负极，第三端接地，第四端连接供电电源并通过所述反相器连接所述计数模块，用于根据桥臂上侧开关管的开/关而导通/关闭，并将所述两个开关管之间电压传输到计数模块，所述计数模块包括：三个计数器，用于接收三个光电隔离器传输过来的电压，并根据基础时钟进行计数，得到所述开关管的实际导通时间；

所述主控制器包括：

实时死区计算模块，连接所述逆变器开关管实际导通时间检测电路，用于根据所述开关管的实际导通时间和理想的导通时间计算死区时间；

补偿模块，连接所述实时死区计算模块，并连接所述电压型逆变器的开关管的控制端，用于根据所述死区时间进行死区补偿；

所述主控制器还包括：逆变器实际输出电压计算模块，连接所述逆变器开关管实际导通时间检测电路，用于计算逆变器实际输出的电压。

4.如权利要求3所述的电压型逆变器死区补偿装置，其特征在于，所述光电隔离器为6N137。

5.如权利要求3所述的电压型逆变器死区补偿装置，其特征在于，所述三个计数器采用CPLD或FPGA构建。

6.如权利要求3所述的电压型逆变器死区补偿装置，其特征在于，所述主控制器为数字信号处理DSP器件。