CN109067230B - 一种SiC MOSFET逆变器用在线自适应死区消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SiC MOSFET逆变器用在线自适应死区消除方法，属于逆变器PWM控制领域，该方法通过在线实时计算电流纹波判断电流所处区域，进行死区消除，具体包含如下步骤：S1：在线检测三相逆变器输出电压、电流以及直流母线电压；S2：判断三相逆变器中桥臂电流的方向并确定桥臂电流的过零区域；S3：在桥臂电流非过零区域消除死区，并在桥臂电流过零区域恢复死区。本发明方法通过在线自适应算法计算出过零区域宽度，实现了整个调制周期内死区效应的有效消除，且算法简单，受器件非理想开关特性和负载参数影响较小，无需外加硬件检测电路，有效地节约了开发成本。

Description

一种SiC MOSFET逆变器用在线自适应死区消除方法
技术领域
本发明属于逆变器PWM控制领域，涉及一种SiC MOSFET逆变器用在线自适应死区消除方法。
背景技术
SiC MOSFET以其高开关频率、低通态电阻和高热传导率优点，成为高频、高温、高功率密度逆变器的理想选择。为防止逆变器同一桥臂上下开关管产生直通现象，需要在PWM驱动信号中加入死区时间，而死区时间将影响逆变器的输出性能，引起输出电压畸变，降低系统稳定性。因此对死区效应抑制方法的研究具有重要的意义。
现有的死区效应抑制方法大多采用死区补偿方法，通过实时计算由死区造成的电压误差，对误差电压进行补偿。由于受功率器件非理想开关特性和负载参数变化的影响，补偿电压难以准确计算，导致死区效应补偿效果不佳。另一种死区效应抑制方法是死区消除方法，该方法能完全消除死区，从根本上解决死区影响问题。虽然在死区消除方法的基础上，目前也提出了采用硬件检测电路来确定电流极性和电流过零区域的方法，但这些方法要么增加了硬件成本，要么难以准确检测出过零区域宽度。因此，有必要研究一种电路简单并能准确检测出电流过零区域宽度的死区消除方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种SiC MOSFET逆变器用在线自适应死区消除方法，通过自适应计算过零区域宽度，有效消除死区效应。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种SiC MOSFET逆变器用在线自适应死区消除方法，该方法通过在线实时计算电流纹波判断电流所处区域，进行死区消除，具体包含如下步骤：
S1：在线检测三相逆变器输出电压、电流以及直流母线电压；
S2：判断三相逆变器中桥臂电流的方向并确定桥臂电流的过零区域；
S3：在桥臂电流非过零区域消除死区，并在桥臂电流过零区域恢复死区。
进一步，步骤S1具体包含如下步骤：
S11：设定控制器的模数转化器采样频率，对电压电流信号进行采样并转换为数字信号输入控制器；
S12：控制器对输入的采样信号进行数模转换，将数据转换为具有物理含义的采样信号；
S13：利用数字一阶低通滤波算法对采样信号进行滤波处理，消除采样信号中的高频噪声信号。
进一步，步骤S2具体包含如下步骤：
S21：判断桥臂电流的方向，设定电流流出桥臂为正，流入桥臂为负；
S22：根据直流母线电压、三相逆变器输出电压、输出滤波电感、PWM开关频率及调制信号实时在线计算正向电流纹波和负向电流纹波，满足：
Figure BDA0001813406810000021
式中，ΔiL+表示正向电流纹波，ΔiL–表示负向电流纹波，UDC表示直流母线电压，uout表示三相逆变器输出电压，L表示输出滤波电感，fs表示PWM开关频率，ur表示调制信号；
S23：根据电流方向和电流纹波导出负载电流过零区域判断准则，满足：
Figure BDA0001813406810000022
其中，iL表示负载电流。
进一步，步骤S3具体为：
S31：根据所检测负载电流iL的平均值判断电流过零区域宽度；
S32：在桥臂电流过零区域消除死区，桥臂电流非过零区域恢复死区。
进一步，该方法确定非过零死区和过零死区后，消除死区的方法具体为：
在非过零死区，仅开通同一桥臂的一个开关管，而另一个开关管保持关闭状态；
在过零死区，恢复上下桥臂的两个开关管互补导通模式。
进一步，所述控制器为DSP28335控制器。
进一步，步骤S11中，设定控制器的模数转化器ADC采样频率为12MHz，将电压、电流信号线性调理到–3.3V～+3.3V后进行采样。
本发明的有益效果在于：通过在线自适应算法计算出过零区域宽度，实现了整个调制周期内死区效应的有效消除，且算法简单，受器件非理想开关特性和负载参数影响较小，无需外加硬件检测电路，有效地节约了开发成本，提高了三相逆变器效率和系统的稳定性、可靠性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例的算法流程图；
图2为本发明实施例的单相桥臂分解动作单元；
图3为本发明实施例的过零区域确定原理示意图；
图4为本发明实施例的实验结果示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明为一种SiC MOSFET三相逆变器用在线自适应死区消除方法，该方法在线实时判断电流纹波进行死区消除，包括以下步骤：
S1：在线检测三相逆变器输出电压、电流以及直流母线电压；
S2：判断三相逆变器中桥臂电流的方向并确定电流过零区域；
S3：在电流非过零区域消除死区，过零区域恢复死区。
步骤S1具体包含：
S11：设定控制器的模数转化器采样频率，对电压电流信号进行采样并转换为数字信号输入控制器；
S12：控制器对输入的采样信号进行数模转换，将数据转换为具有实际物理意义的信号；
S13：利用数字一阶低通滤波算法对采样信号进行滤波处理，消除高频噪声信号。
步骤S2具体包含：
S21：判断桥臂电流方向，电流流出桥臂为正，流入桥臂为负；
S22：根据直流母线电压UDC、三相逆变器输出电压uout、输出滤波电感L、PWM开关频率fs及调制信号ur实时在线计算正向电流纹波ΔiL+和负向电流纹波ΔiL–；
S23：根据电流方向和电流纹波导出负载电流iL过零区域判断准则。
步骤S3具体包含：
S31：根据所检测负载电流平均值<iL>判断电流过零区域宽度；
S32：在电流过零区域消除死区，非过零区域恢复死区。
所述的过零区域消除死区方法具体指仅开通或关断三相逆变器桥臂的一个功率开关器件，而另一个功率开关器件保持关断状态。
图1为本发明方法的具体实施流程图，首先，在线检测三相逆变器输出电压、电流以及直流母线电压；然后，判断三相逆变器中桥臂电流的方向并确定电流过零区域；最后，在电流非过零区域消除死区，过零区域恢复死区，实现逆变器死区的消除。
以三相逆变器单个桥臂为例，说明死区消除的原理：如图2所示：在iL>0区域，VTP开通，iL从VTP流出，VTN关断，iL通过VDN续流，无论VTN开关状态如何，均无电流通过，这里称VTP与VDN为iL>0区域的有效动作器件，它们组成了单相桥臂P型动作单元，VTN与VDP为无效动作器件，在iL>0区域无需使能开关管VTN；同理，在iL<0区域，VTN与VDP为有效动作器件，它们组成了单相桥臂N型动作单元，VTP与VDN为无效动作器件，在iL<0区域无需使能开关管VTP。
考虑电流纹波的影响，如图3所示，电流可能有多个过零点，这些过零点形成了一个电流过零区域。在电流非过零区域，同一桥臂只工作在一种动作单元模式，因此，只需根据电流极性驱动有效动作器件，而屏蔽无效动作器件，则可实现非过零区域的死区完全消除；当电流处于过零区域时，则需要恢复死区时间以保证变流器的可靠换流。
本实施例选用SiC MOSFET三相功率模块为CREE CCS020M12CM2，所用控制器为DSPTMS320F28335，程序编写、编译和烧写均在CCS6.0中完成。包含如下实施步骤：
首先，利用DSP28335的外围ADC转换模块在线检测三相逆变器输出电压、电流以及直流母线电压：
1)：设定控制器模数转化器ADC采样频率为12MHz，将电压、电流信号线性调理到–3.3V～+3.3V后进行采样并转换为数字信号输入控制器DSP28335；
2)：DSP28335对输入的采样信号进行数模转换，并通过线性转换将调理后的信号变为具有实际物理意义的信号；
3)：利用数字一阶低通滤波算法对采样信号进行滤波处理，消除高频噪声信号。
然后，判断三相逆变器中桥臂电流的方向并确定电流过零区域。电流的平均值iL可以设定DSP的ADC采样模式为EPWM载波下溢模式，同时可以测量直流母线电压UDC、三相逆变器输出电压uout。根据直流母线电压UDC、三相逆变器输出电压uout、输出滤波电感L、PWM开关频率fs及调制信号ur实时在线计算正向电流纹波ΔiL+和负向电流纹波ΔiL–，具体计算公式如下：
Figure BDA0001813406810000041
假设负载电流iL>0流出桥臂为正方向，流入桥臂iL<0为负方向。根据电流方向和电流纹波导出负载电流iL过零区域判断准则，具体如下：
Figure BDA0001813406810000051
最后，控制器确定电流非过零区域后，仅开通同一桥臂的一个开关管，而另一个开关管保持关闭状态；而在电流过零区域恢复上下桥臂的两个开关管互补导通模式，由于过零区域逆变器实际输出电压在相应开关管关断时能迅速作出相应，使过零区域的实际与理想输出电压一致，死去效应被消除。图4给出了实验波形，可以看到，当采用本发明的死去消除方法后，逆变器输出电压和电流幅值明显增加，提高了电压利用率，且输出波形正弦性较好，降低了输出谐波含量。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种SiC MOSFET逆变器用在线自适应死区消除方法，其特征在于：该方法通过在线实时计算电流纹波判断电流所处区域，进行死区消除，具体包含如下步骤：
S1：在线检测三相逆变器输出电压、电流以及直流母线电压；
S2：判断三相逆变器中桥臂电流的方向并确定桥臂电流的过零区域；具体包含如下步骤：
S21：判断桥臂电流的方向，设定电流流出桥臂为正，流入桥臂为负；
S22：根据直流母线电压、三相逆变器输出电压、输出滤波电感、PWM开关频率及调制信号实时在线计算正向电流纹波和负向电流纹波，满足：
Figure FDA0002199170750000011
式中，ΔiL+表示正向电流纹波，ΔiL–表示负向电流纹波，UDC表示直流母线电压，uout表示三相逆变器输出电压，L表示输出滤波电感，fs表示PWM开关频率，ur表示调制信号；
S23：根据电流方向和电流纹波导出负载电流过零区域判断准则，满足：
Figure FDA0002199170750000012
其中，iL表示负载电流；
S3：在桥臂电流非过零区域消除死区，并在桥臂电流过零区域恢复死区；具体为：
S31：根据所检测负载电流iL的平均值判断电流过零区域宽度；
S32：在桥臂电流过零区域消除死区：在非过零死区，仅开通同一桥臂的一个开关管，而另一个开关管保持关闭状态；桥臂电流非过零区域恢复死区：在过零死区，恢复上下桥臂的两个开关管互补导通模式。
2.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET逆变器用在线自适应死区消除方法，其特征在于：步骤S1具体包含如下步骤：
S11：设定控制器的模数转化器采样频率，对电压电流信号进行采样并转换为数字信号输入控制器；
S12：控制器对输入的采样信号进行数模转换，将数据转换为具有物理含义的采样信号；
S13：利用数字一阶低通滤波算法对采样信号进行滤波处理，消除采样信号中的高频噪声信号。
3.根据权利要求2所述的一种SiC MOSFET逆变器用在线自适应死区消除方法，其特征在于：所述控制器为DSP28335控制器；设定控制器的模数转化器ADC采样频率为12MHz，将电压、电流信号线性调理到–3.3V～+3.3V后进行采样。
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