CN107171541A - 一种新型igbt电流反馈型死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IGBT电流反馈型死区补偿方法，通过外围硬件电路设计，对逆变器输出电压进行采样，判断电压的高低电平；然后，将该输出信号作为电流方向逻辑回路的输入信号，将逆变器上下桥臂中IGBT的驱动信号通过逻辑或门作为触发信号；该硬件电路的最终输出信号作为电流方向判断的逻辑信号经I/O口输入到微处理器中，通过判断得到死区补偿量，生成所需要的PWM脉冲，最终实现死区补偿。本发明不仅能准确判断电流的方向，还能判断出电流是否处于过零点，并在过零点阶段进行过渡补偿，补偿效果好，电流波形畸变率减小，电机的低速性能被明显改善。

Description

一种新型IGBT电流反馈型死区补偿方法

技术领域

本发明涉及一种死区补偿方法，具体涉及一种新型IGBT电流反馈型死区补偿方法。

背景技术

目前，越来越多的变频器都采用IGBT作为功率开关器件。由于功率开关器件都具有一定的导通延时和关断延时，为了防止逆变器的上下桥臂直通，造成直流侧短路，在IGBT开通和关断间加入了微秒级的死区时间。

采用死区的目的是为了保证IGBT的安全性和可靠性，但是死区的设定也给变频器带来了死区效应。其主要后果会使输出电压基波幅值降低，低次谐波增加，电流波形发生畸变，电机的谐波损耗增加，严重时甚至导致系统的不稳定。由于变频器中IGBT开关频率的不断提高，死区效应对变频器输出电压和电流的影响也越来越严重。因此，分析和探索变频器的死区补偿方法显得非常重要和紧迫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型IGBT电流反馈型死区补偿方法，不仅能准确判断电流的方向，还能判断出电流是否处于过零点，并在过零点阶段进行过渡式补偿。

实现本发明目的的技术方案为：一种新型IGBT电流反馈型死区补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：通过离线测试或者在线观测的方法获得电压源逆变器的死区时间；

步骤2：进行外围硬件检测电路设计，包括输出电压采样电路和电流方向逻辑回路；

步骤3：将硬件检测电路的电流状态信号输入到微处理器中，进行死区补偿。

与现有技术相比，本发明的优点为：本发明提出的电流状态判断及死区补偿方法是通过外围硬件电路和在微处理器中运行的软件程序配合实现的；不仅能准确判断电流的方向，还能判断出电流是否处于过零点，并在过零点阶段进行过渡补偿；结果表明补偿效果好，电流波形畸变率减小，电机的低速性能被明显改善。

附图说明

图1为变频器逆变回路电路图。

图2为逆变回路U相桥臂电流方向示意图。

图3为一个开关过程中U相电压波形图。

图4为U相电压采样回路示意图。

图5为U相电流方向逻辑回路示意图。

图6(a)为输出电流为正序时的时序图。

图6(b)为输出电流为负序时的时序图。

图7为输出电流由正向到反向过零时的时序图。

图8为死区补偿程序流程图。

图9(a)为U相D触发器输出信号图，图9(b)为U相电流波形图。

图10(a)为硬件直接检测电流极性补偿方法波形图，图10(b)为本发明电流反馈死区补偿方法波形图。

具体实施方式

本发明的新型IGBT电流反馈型死区补偿方法，包括以下步骤：

步骤1，通过离线测试或者在线观测的方法获得电压源逆变器的死区时间；

步骤2，进行外围硬件检测电路设计，包括输出电压采样电路和电流方向逻辑回路；

步骤3，将硬件检测电路的电流状态信号输入到微处理器中，进行死区补偿。

三相硬件检测电路相同，其中U相硬件检测电路包括U相电压采样电路和U相电流方向逻辑回路；

U相电压采样电路主要由反相器和光耦组成；反相器在输入电压高于4V时输出低电平，在输入电压低于0.8V时输出高电平；

U相电流方向逻辑回路主要由D触发器、或门组成，Udet-A为D触发器输入信号，U相上桥臂开关管驱动信号gp和下桥臂开关管驱动信号gn经过或门后作为D触发器正边沿时钟触发信号，QX为D触发器的输出信号，作为U相电流方向判别的逻辑信号，经I/O口输入到微处理器中进行死区补偿。

U相硬件检测电路工作原理如下：

当电流方向为正、方向为负及处于过零点时，D触发器输出不同的信号，微处理器芯片根据不同的信号做出相应的补偿；

情况一：U相电流大于0

当U相电流i_U＞0时，D触发器输出信号QX一直为高电平，将工作工程分成如下阶段：

t1～t2：在t1时刻，上桥臂开关管驱动信号gp由低电平变为高电平，VT1经过ton时间后导通，此时D触发器检测到上升沿的时钟，对Udet-A信号进行锁存；由于VT1存在导通延时，在t1时刻Udet-A信号依然为高电平，D触发器输出信号QX为高电平；t2时刻上桥臂开关管驱动信号gp由高电平变为低电平，经过toff时间VT1关断，Udet-A信号由低电平变为高电平；

t2～t4：在t3时刻下桥臂开关管驱动信号gn由低电平变为高电平，此时D触发器检测到上升沿的时钟，对Udet-A信号进行锁存，Udet-A信号是高电平，D触发器输出信号QX为高电平；在t4时刻，U相下桥臂开关管驱动信号gp由低电平变为高电平，一个周期结束；

情况二：U相电流小于0

当i_U＜0时，D触发器输出信号QX一直为低电平，将工作工程分成如下阶段：

t1～t2：在t1时刻，U相下桥臂开关管驱动信号gn由高电平变为低电平，U相下桥臂VT2经过toff时间后关断，Udet-A信号由高电平变为低电平；t2时刻，上桥臂开关管驱动信号gp由低电平变为高电平，D触发器检测到上升沿的时钟，对Udet-A信号进行锁存，Udet-A信号是低电平，D触发器输出信号QX输出低电平；

t2～t4：t3时刻，下桥臂开关管驱动信号gn由低电平变为高电平，VT2经过ton时间后开通，在D触发器检测到上升沿时钟时，Udet-A信号为低电平，D触发器输出信号QX为低电平；t4时刻，U相下桥臂开关管驱动信号gn由高电平变为低电平，一个周期结束；

情况三：电流位于零点附近

电流从正向变为负向时或者负向变为正向时，将工作工程分成如下阶段：

t1～t2：t1时刻电流接近过零点，此时上桥臂开关管驱动信号gp由高电平变为低电平；在死区时间内，输出电压下降，直到t2时刻下桥臂开关管驱动信号gn由低电平变为高电平，VT2经过ton时间导通后，输出电压降为0；在t2时刻，D触发器检测到上升沿的时钟，Udet-A此时为低电平，D触发器输出信号QX由高电平变为低电平；

t2～t3：t3时刻，上桥臂开关管驱动信号gp由低电平变为高电平，D触发器检测到上升沿的时钟，Udet-A此时为高电平，D触发器输出信号QX由低电平变为高电平；

t3～t4：t4时刻，下桥臂开关管驱动信号gn由低电平变为高电平，由于输出电压过零台阶，Udet-A此时为低电平，D触发器输出信号由高电平变为低电平，一个周期结束。

进一步的，QX作为U相电流方向判别的逻辑信号，经I/O口输入到微处理器中进行死区补偿的具体过程为：

根据中断采样的QX值不同，做出不同的补偿结果；设计两个辅助变量，第一辅助变量F对电流状态进行存储；第二辅助变量n作为电流过零时对开关周期进行计数；

当连续两个中断检测到QX为高电平，判断此时电流为正向，将死区补偿量设置为Δu_d；

当连续两个中断检测到QX为低电平，判断此时电流为负向，将死区补偿量设置为-Δu_d；

当电流处于零点附近时，采用辅助变量n对开关周期进行记数，由于通常情况下变频器系统的惯性比较大，所以可以认为两个相邻的过零状态所持续的开关周期数是相等的，这样利用上一个过零状态所获得的开关周期总数N和当前过零状态所获得的开关周期总数n，将死区补偿量每开关周期的递变幅度设计为2Δu_dn/N便可实现在±Δu_d之间的连续过渡；图8死区补偿流程图中各种情况与上述各个情况相对应。

定时中断通过PWM模块所使用的计时器来触发，PWM模块计时器的零点和顶点分别对应逆变器同一桥臂上管驱动信号的中点和下管驱动信号的中点。

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

实施例

通常在变频器逆变电路中，同一相桥臂的上下两个功率开关器件工作在互补状态。如图1所示，变频器中的逆变回路由6个IGBT开关管组成，VT1与VT4、VT3与VT6、VT5与VT2的两个开关管分别工作在互补状态。功率器件的动作需要一定的开通和关断时间，且一般关断时间比开通时间要长。为避免发生直通，采用时间延迟技术，在同相桥臂上下管的驱动信号之间插入足够的死区时间以防止在换流过程中产生直通现象。

以变频器U相为例，假设i_u流出桥臂为正电流，流入桥臂为负电流。如图2所示，当i_u＞0时，VT1导通VT4关断或者VT1关断续流二极管VD4导通；当i_u＜0，VT4导通VT1关断或者VT4关断续流二极管VD1导通。对于VT1和VT4，在理想状态下PWM波形如图3中(a)所示，上下桥臂的PWM波形完全对称。为了避免VT1和VT4上下桥臂直通，考虑了VT1和VT4的导通关断延时，在上下桥臂的PWM波形中加入了死区时间t_d，如图3中(b)所示。当i_u＞0，U相输出电压实际波形如图3中(d)所示，与理想电压波形相差两个脉冲误差电压。当i_u＜0，U相输出电压实际波形如图3中(e)所示，与理想电压波形相差两个脉冲误差电压。采用等时间电压面积法，可得误差电压平均值为

其中，T_d＝t_d+t_on-t_off，t_on为开关管开通时间，t_off为开关管关断时间；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_UN、理想输出电压平均值u_UN0与误差电压平均值Δu_UN的关系为：

u_UN＝u_UN0-Δu_UN (2)

步骤1：通过离线测试或者在线观测的方法获得电压源逆变器的死区时间t_d。

步骤2：进行外围硬件检测电路设计，包括输出电压采样电路和电流方向逻辑回路；以U相为例对硬件检测电路进行说明。

(1)U相电压采样电路

一种U相电压采样电路如图4所示，主要由反相器、光耦及一些电阻电容器件构成。采样电路中采用的反相器在输入电压高于4V时输出低电平，在输入电压低于0.8V时输出高电平。U相电压经过第一电阻R1和第二电阻R2分压后输入到反相器2脚，反相器2脚检测到输入的电压高于4V时，反相器4脚输出低电平，光耦输出信号Udet-A为低电平；反相器2脚检测到输入的电压低于0.8V时，反相器4脚输出高电平，光耦输出信号Udet-A为高电平。

还有一种接法是：光耦2号管脚接前级反相器输出，不接高电平；3号管脚直接接地，而不接前级反相器输出；其余电路不变。这样连接电路导致的结果是：光耦的输出和上一种接法的输出相比，高低电平情况正好反过来，而对波形宽度、幅值等没有影响。

基本所有的光耦都会有这两种电路接法，只要注意输出波形高低电平正好相反，所以后续电路连接也要反过来。其他无任何影响，两种接法在实际中均可采用。

(2)U相电流方向逻辑回路

U相输出电流方向逻辑回路如图5所示，主要由D触发器、或门及一些电阻电容器件组成。Udet-A为D触发器输入信号，U相IGBT驱动信号gp(上桥臂开关管驱动信号)和gn(下桥臂开关管驱动信号)经过一个或门后作为D触发器正边沿时钟触发信号，QX为D触发器的输出信号，作为U相电流方向判别的逻辑信号，经I/O口输入到微处理器中进行软件处理。

下面介绍硬件检测电路的工作原理：

当电流方向为正、方向为负及处于过零点时，D触发器输出不同的信号，微处理器芯片根据不同的信号做出相应的补偿。

情况一：U相电流大于0

当i_U＞0时，如图6(a)所示，D触发器输出信号QX一直为高电平，可将工作工程分成如下阶段：

t1～t2：在t1时刻，驱动信号gp由低电平变为高电平，VT1经过ton时间后导通，此时D触发器检测到上升沿的时钟，对Udet-A信号进行锁存。由于VT1存在导通延时，在t1时刻Udet-A信号依然为高电平，D触发器输出信号QX为高电平。t2时刻驱动信号gp由高电平变为低电平，经过toff时间VT1关断，Udet-A信号由低电平变为高电平；

t2～t4：在t3时刻驱动信号gn由低电平变为高电平，此时D触发器检测到上升沿的时钟，对Udet-A信号进行锁存，Udet-A信号是高电平，D触发器输出信号QX为高电平。在t4时刻，U相上桥臂IGBT驱动信号gp由低电平变为高电平，一个周期结束。

情况二：U相电流小于0

当i_U＜0时，如图6(b)所示，D触发器输出信号QX一直为低电平，可将工作工程分成如下阶段：

t1～t2：在t1时刻，U相下桥臂驱动信号gn由高电平变为低电平，U相下桥臂VT2经过toff时间后关断，Udet-A信号由高电平变为低电平。t2时刻，驱动信号gp由低电平变为高电平，D触发器检测到上升沿的时钟，对Udet-A信号进行锁存，Udet-A信号是低电平，D触发器输出信号QX输出低电平。

t2～t4：t3时刻，驱动信号gn由低电平变为高电平，VT2经过ton时间后开通，在D触发器检测到上升沿时钟时，Udet-A信号为低电平，D触发器输出信号QX为低电平。t4时刻，U相下桥臂IGBT驱动信号gn由高电平变为低电平，一个周期结束。

情况三：电流位于零点附近

电流从正向变为负向时或者负向变为正向时，电流会受噪声、高频干扰在零点附近上下振荡，输出电压都会存在过零“台阶”现象，D触发器的输出信号QX都会呈现高低电平变换的脉冲现象。图7为电流由正变负时，各个信号变化的时序图，可将工作工程分成如下阶段：

t1～t2：t1时刻电流接近过零点，此时驱动信号gp由高电平变为低电平。在死区时间内，输出电压下降的比较缓慢，出现了过零“台阶”现象，直到t2时刻驱动信号gn由低电平变为高电平，VT2经过ton时间导通后，输出电压迅速降为0。在t2时刻，D触发器检测到上升沿的时钟，Udet-A此时为低电平，D触发器输出信号QX由高电平变为低电平。

t2～t3：t3时刻，信号gp由低电平变为高电平，D触发器检测到上升沿的时钟，Udet-A此时为高电平，D触发器输出信号QX由低电平变为高电平。

t3～t4：t4时刻，驱动信号gn由低电平变为高电平，由于输出电压过零“台阶”，Udet-A此时为低电平，D触发器输出信号由高电平变为低电平，一个周期结束。

步骤3：将硬件检测电路的电流状态信号输入到微处理器中，进行死区补偿。

本发明根据由硬件电路输入到微处理器的电流状态信号QX设计了相应的处理程序进行死区补偿，其流程图如图8所示。该程序所用到的定时中断是通过PWM模块所使用的计时器来触发的。PWM模块计时器的零点和顶点分别对应逆变器同一桥臂上管驱动信号的中点和下管驱动信号的中点。根据中断采样的QX值不同，程序将做出不同的补偿结果。另外，设计两个辅助变量，一个辅助变量F对电流状态进行存储；一个辅助变量n作为电流过零时对开关周期进行计数。当连续两个中断检测到QX为高电平，判断此时电流为正向，将死区补偿量设置为Δu_d；当连续两个中断检测到QX为低电平，判断此时电流为负向，将死区补偿量设置为-Δu_d；当电流处于零点附近时，采用辅助变量n对开关周期进行记数，由于通常情况下变频器系统的惯性比较大，所以可以认为两个相邻的过零状态所持续的开关周期数是相等的，这样利用上一个过零状态所获得的开关周期总数N和当前过零状态所获得的开关周期总数n，将死区补偿量每开关周期的递变幅度设计为2Δu_dn/N便可实现在±Δu_d之间的连续过渡。

为了验证文中死区补偿方法的可行性和有效性，在变频器的SVPWM算法中加入了死区补偿算法。变频器选用功率为1.5kW，马达功率为0.4kW，载波频率为5kHz，运转频率为低频1Hz。图9(a)为U相D触发器输出信号，图9(b)为U相电流波形，图中CH1为U相电流波形，CH2为U相D触发器输出信号。从图9中可以看出，电流在零点时D触发器输出信号QX为高低电平变换，电流在大于零时QX为高电平，电流在小于零时QX为低电平。

图10(a)和图10(b)为两种补偿方法的对比，其中图10(a)为硬件直接检测电流极性补偿方法，图中三相电流畸变比较厉害；图10(b)为本发明提出的电流反馈死区补偿方法，图中三相电流正弦度较好，较图10(a)有较大的改善。

Claims (4)

1.一种新型IGBT电流反馈型死区补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过离线测试或者在线观测的方法获得电压源逆变器的死区时间；

步骤2，进行外围硬件检测电路设计，包括输出电压采样电路和电流方向逻辑回路；

步骤3，将硬件检测电路的电流状态信号输入到微处理器中，进行死区补偿。

2.根据权利要求1所述的新型IGBT电流反馈型死区补偿方法，其特征在于，三相硬件检测电路相同，其中U相硬件检测电路包括U相电压采样电路和U相电流方向逻辑回路；

U相电压采样电路主要由反相器和光耦组成；反相器在输入电压高于4V时输出低电平，在输入电压低于0.8V时输出高电平；

U相电流方向逻辑回路主要由D触发器、或门组成，Udet-A为D触发器输入信号，U相上桥臂开关管驱动信号gp和下桥臂开关管驱动信号gn经过或门后作为D触发器正边沿时钟触发信号，QX为D触发器的输出信号，作为U相电流方向判别的逻辑信号，经I/O口输入到微处理器中进行死区补偿。

3.根据权利要求2所述的新型IGBT电流反馈型死区补偿方法，其特征在于，U相硬件检测电路工作原理如下：

当电流方向为正、方向为负及处于过零点时，D触发器输出不同的信号，微处理器芯片根据不同的信号做出相应的补偿；

情况一：U相电流大于0

当U相电流i_U＞0时，D触发器输出信号QX一直为高电平，将工作工程分成如下阶段：

t1～t2：在t1时刻，上桥臂开关管驱动信号gp由低电平变为高电平，VT1经过ton时间后导通，此时D触发器检测到上升沿的时钟，对Udet-A信号进行锁存；由于VT1存在导通延时，在t1时刻Udet-A信号依然为高电平，D触发器输出信号QX为高电平；t2时刻上桥臂开关管驱动信号gp由高电平变为低电平，经过toff时间VT1关断，Udet-A信号由低电平变为高电平；

t2～t4：在t3时刻下桥臂开关管驱动信号gn由低电平变为高电平，此时D触发器检测到上升沿的时钟，对Udet-A信号进行锁存，Udet-A信号是高电平，D触发器输出信号QX为高电平；在t4时刻，U相下桥臂开关管驱动信号gp由低电平变为高电平，一个周期结束；

情况二：U相电流小于0

当i_U＜0时，D触发器输出信号QX一直为低电平，将工作工程分成如下阶段：

t1～t2：在t1时刻，U相下桥臂开关管驱动信号gn由高电平变为低电平，U相下桥臂VT2经过toff时间后关断，Udet-A信号由高电平变为低电平；t2时刻，上桥臂开关管驱动信号gp由低电平变为高电平，D触发器检测到上升沿的时钟，对Udet-A信号进行锁存，Udet-A信号是低电平，D触发器输出信号QX输出低电平；

t2～t4：t3时刻，下桥臂开关管驱动信号gn由低电平变为高电平，VT2经过ton时间后开通，在D触发器检测到上升沿时钟时，Udet-A信号为低电平，D触发器输出信号QX为低电平；t4时刻，U相下桥臂开关管驱动信号gn由高电平变为低电平，一个周期结束。

情况三：电流位于零点附近

电流从正向变为负向时或者负向变为正向时，将工作工程分成如下阶段：

t1～t2：t1时刻电流接近过零点，此时上桥臂开关管驱动信号gp由高电平变为低电平；在死区时间内，输出电压下降，直到t2时刻下桥臂开关管驱动信号gn由低电平变为高电平，VT2经过ton时间导通后，输出电压降为0；在t2时刻，D触发器检测到上升沿的时钟，Udet-A此时为低电平，D触发器输出信号QX由高电平变为低电平；

t2～t3：t3时刻，上桥臂开关管驱动信号gp由低电平变为高电平，D触发器检测到上升沿的时钟，Udet-A此时为高电平，D触发器输出信号QX由低电平变为高电平；

t3～t4：t4时刻，下桥臂开关管驱动信号gn由低电平变为高电平，由于输出电压过零台阶，Udet-A此时为低电平，D触发器输出信号由高电平变为低电平，一个周期结束。

4.根据权利要求2所述的新型IGBT电流反馈型死区补偿方法，其特征在于，QX作为U相电流方向判别的逻辑信号，经I/O口输入到微处理器中进行死区补偿的具体过程为：

根据中断采样的QX值不同，做出不同的补偿结果；设计两个辅助变量，第一辅助变量F对电流状态进行存储；第二辅助变量n作为电流过零时对开关周期进行计数；

当连续两个中断检测到QX为高电平，判断此时电流为正向，将死区补偿量设置为Δu_d；

当连续两个中断检测到QX为低电平，判断此时电流为负向，将死区补偿量设置为-Δu_d；

当电流处于零点附近时，采用辅助变量n对开关周期进行记数，两个相邻的过零状态所持续的开关周期数相等，利用上一个过零状态所获得的开关周期总数N和当前过零状态所获得的开关周期总数n，将死区补偿量每开关周期的递变幅度设计为2Δu_dn/N，实现在±Δu_d之间的连续过渡；

定时中断通过PWM模块所使用的计时器来触发，PWM模块计时器的零点和顶点分别对应逆变器同一桥臂上管驱动信号的中点和下管驱动信号的中点。