第４６卷第１期 ２０１２年１月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＶｏＪ．４６．Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１２ 三电平逆变器ＳＶＰＷＭ的死区补偿和窄脉冲处理 徐 华 ，高菊玲 ，何礼高 （１．南京航空航天大学，自动化学院，江苏南京２１００１６；２．江苏农林职业技术学院，江苏句容２１２４００） 摘要：以电压型三电平逆变器为例，分析了基于电压空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ） 电平逆变器的死区效应及窄 脉冲对三电平逆变电路的影响，给出了一种根据输出电流极性修改触发脉冲，从而达到死区时间补偿的方法。 在最小脉宽处理区域，通过重新确定起始矢量处理方法避免窄脉冲。仿真和实验结果验证了理论的可行性。 关键词：逆变器；死区补偿；窄脉冲；矢量控制 中图分类号：ＴＭ４６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１２）０１—００２６—０３ Ｔｈｅ Ｄｅａｄ．ｔｉｍｅ ａｎｄ Ｎａｒｒｏｗ Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ．１ｅｖｅｌ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＶＰＷＭ ＸＵ Ｈｕａ ，ＧＡＯ Ｊｕ—ｌｉｎｇ２，ＨＥ Ｌｉ—ｇａｏ （１．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｙｐｅ ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｄｅａｄ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｎａｒｒｏｗ ｐｕｌｓｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｏｅ—ｌｅｖｅｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＶＰＷＭ）ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ａ ｗａｙ ｒｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｕｌｓｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅａｄ ｔｉｍｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｂａｒ— ｒｏｗ ｐｕｌｓｅ，ｔｈｅ ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ ｉｓ ｒｅｈａｎｄｌｅｄ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｎａｒｒｏｗ ｐｕｌｓｅ．Ｔｈｅ Ｍａｔｌａｂ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｄｅａｄ—ｔｉｍｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｎａｒｒｏｗ ｐｕｌｓｅ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ １ 引 言 ＳＶＰＷＭ技术在交流传动领域获得了越来越 多的应用。在实际的二极管箝位三电平逆变器中， 每相桥臂有Ｐ，０，Ｎ ３种工作状态，当桥臂在Ｐ和 ０或０和Ｎ之间变化时，由于功率器件存在开关 ２原理分析及解决方法 ２．１死区效应分析 三电平三相逆变器一般采用ＳＶＰＷＭ方式。 每相桥臂有４个功率管。根据功率管的不同开关 组合，每相桥臂有Ｐ［１ １ ０ ０】，ｏ［ｏ １ １ ０】，Ｎ［Ｏ ０ １ １］ ３个状态，１，０分别代表功率管开通和关断，因此， ３个桥臂一共可以组合２７种输出状态。为使输出 电压谐波最小，通常利用最近的３个矢量合成参 考电压矢量。图１示出三电平逆变器空间矢量图。 ＮＰＮ ＩＩＯＰＮ ＰＰＮ 延时，且通常关断时间大于开通时间，若同一个桥 臂中需关断的功率管尚未完全关断．而与之互补 的功率管已经开通，则会造成桥臂瞬态直通，为避 免这种现象．必须人为地在同一桥臂互补的触发 信号中加入死区时间。该时间段内的输出电压与 理想状态下存在误差，影响了输出波形质量［１＿，１。 此外．过窄的触发脉冲信号使得功率开关器件损 耗增加也应予以重视【４＿ 。 此处在ＳＶＰＷＭ控制方法的基础上，通过检 ＮＰＣＩ／ ＯＰＯＶ ／ ＼／＼ ． ．． ＶＰＰｏ Ｉ Ｐ０Ｉ＇￣ 测出输出电流的方向．从而修改相应的触发脉冲 信号作用时间，以完成死区时间补偿。此处合理安 ‘排矢量作用顺序，有效地避免了窄脉冲的问题，从 而改善了输出波形的质量。 ．／一 ＰＮＰ ＮＮＰ Ｖ ＯＮＰ 图１三电平逆变器空间矢量图 定稿日期：２０１１—０８—０１ 作者简介：徐 华（１９８７一），男，江苏启东人，硕士，研究方 向为大功率变频调速和功率变换技术。２６ 假设参考矢量 落在图１小扇区中，则由 ＰＯＯ（ＯＮＮ），ＰＯＮ，ＰＮＮ合成 ，设 为ＰＯＯ（ＯＮＮ）， 第４６卷第１期 ２０１２年１月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４６．Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１２ ＯＮＮ和ＰＯＯ的作用时间分别为ｔ１１２。若计算出的 ｔｌ／２＜ｔ￣．则会在ａ相电平变化Ｏ Ｐ Ｏ时产生窄 脉冲。将导致开关器件不能正常工作，损耗大大增 加，甚至无法正常开关，从而影响输出波形的质 量，在这种情况下，应采取适当措施避免。 ２．４窄脉冲处理 通过上述分析可知，当参考矢量落于会产生 窄脉冲的区域时，由式（１）得知零矢量作用时间ｔ 占据了整个周期的大部分，而零矢量中有两个是 冗余矢量。所以可以采取以零矢量为起始矢量从 而避免在这段调制系数内出现的窄脉冲。矢量作 用顺序如图５所示，其中零矢量作用时间是ｔ 。 相 厂Ｔ＿ＴＴ＿『－＿｝一 ｂｎ相 相 —Ｈ厂 ：： — ｃ相 ；；广－］；ｉ：ＮＮＮ：ＯＮＮＩ１００ＮＩ１０００：００Ｎ：ｏＮＮ： ＮＮＮ： Ｉ １／４Ｉ １２Ｉ １３／２ Ｉ ｌ／２Ｉ ｔ３／２１ ２，２ Ｉ 】／４Ｉ 图５第１扇区修改七段式对称ＰＷＭ脉冲 虽然改变了起始矢量的作用顺序．但并未改 变参考矢量的合成，比较图４ｂ与图５，因为以零 矢量为起始作用矢量．所以在Ｃ相电平变化Ｎ Ｏ Ｎ时，ｔｌ／２相较于 是足够大，从而避免了由 于小矢量作用时间不足产生的窄脉冲。提高了系 统的效率和稳定性。 ３仿真与实验 为验证以上理论的准确性，利用Ｍａｔｌａｂ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建模。对窄脉冲处理及死区时间的补偿 进行了仿真，给定母线电压５４０ Ｖ，设置ｔａ＝４ ８， 功率器件开关频率２ ｋＨｚ，最小脉宽为１０ ｓ，仿 真波形如图６所示，对比图６ａ，ｂ，经过处理之后 的相电流波形更趋向于正弦，比较图６ｃ，ｄ，处理 之后的相电流基波幅值增大，总谐波含量减小。 ｒ／（１０ ｍｓ／格） 一ｒ，（１０ ｍｓ／格） （ａ）未处理时相电流 （ｂ）处理后相电流 Ｈｚ Ｈｚ （ｃ）未处理时相电流ＦＦＴ （ｄ）处理后相电流ＦＦＴ 图６仿真相电流波形 同时在基于ＴＭｓ３２０Ｆ２８３３５的三电平平台上 进行了实验研究．负载是额定功率３ ｋＷ的异步 电机，直流母线电压给定５４０ Ｖ，调制度为０．０１５， 实验波形如图７所示，比较图７ａ上、下波形可见， 经过窄脉冲处理之后，开关时间满足大于定义的 最小脉宽时间，同时对比图７ｂ上、下波形可见。采 用上述方法处理后输出相电流幅值增大。毛刺减 少，波形更趋于正弦。 难 ＞ ０ 蕃 蛙 呈 （１Ｏｕｓ，格） ‘ 一 一 连 鞋 ＞ ０ 笛－ 耀： ｌｆ。 呈 ４ 结 论 这里分析了在ＳＶＰＷＭ控制的三电平逆变器 中的死区效应和窄脉冲形成的原因。研究了一种 有效的死区时间补偿方法以及消除窄脉冲策略。 最后通过Ｍａｔ１ａ】）仿真和使用ＴＭＳ３２ＯＦ２８３３５控制 芯片的实验平台验证了理论的准确性与可行性。 参考文献 【１］王群京，吴海岸，姜卫东，等．一种三电平对称ＳＶＭ调 制及死区补偿的实现［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（１０）： ８４—８６． ［２】Ｄｏｎｇｓｈｅｎｇ Ｚｈｏｕ，Ｄｉｄｉｅｒ Ｇ．Ｒｏｕａｕｄ．Ｄｅａｄ－Ｔｉｍｅ Ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ・・Ｌｅｖｅｌ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｌａｍｐ Ｉｎ・－ ｖｅｒｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｄｒｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９９，１４（４）：７８２— ７８８． ［３】Ｈａｉｓｈａｎ Ｌｉ，Ｙａｏｈｕａ Ｌｉ，Ｑｉｏｎｇｘｕａｎ Ｇｅ．Ｄｅａｄ—ｉｔｍｅ Ｃｏｒｎ－ ｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ３－Ｌｅｖｅｌ ＮＰＣ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｍｅｄｉｕｍ Ｖｏｌｔａｇｅ ＩＧＣＴ Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍ［Ａ］．２００４ ３５ｔｈ Ａｎｎｕａｌ ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｐｅｃｉｌａｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ】．Ａａｃｈｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ， ２００４：３５２４—３５２８． 【４】李海山．基于ＩＧＣＴ的中压大容量三电平ＮＰＣ逆变器 ＰＷＭ技术和缓冲电路的研究［Ｄ】．北京：中国科学院 研究生院．２００５． ［５】Ｈｙｏ Ｌ Ｌｉｕ，Ｇｙｕ Ｈ Ｃｈｏ．ｈＴｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ Ｓｐａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ ＰＷＭ ｉｎ Ｌｏｗ Ｉｎｄｅｘ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅｇｉｏｎ Ａｖｏｉｄｉｎｇ Ｎａｒｒｏｗ Ｐｕｌｓｅ Ｐｒｏｂｌｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９４，９（５）： ２５７—２６２．