一種新穎的死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間測(cè)量方法摘

要：該文詳細(xì)分析了死區(qū)效應(yīng)對(duì)逆變器輸出性能的影響。同時(shí)，針對(duì)三相平衡負(fù)載，也討論了基于平均定子電流的定子側(cè)直流等效電路模型，根據(jù)在同一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，兩種不同的有效電壓矢量作用時(shí)間與相應(yīng)的定子電流關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間的離線動(dòng)態(tài)調(diào)整，然后由測(cè)量的補(bǔ)償時(shí)間再進(jìn)行死區(qū)效應(yīng)的在線補(bǔ)償。另外，根據(jù)功率模塊相關(guān)參數(shù)隨電流變化導(dǎo)致輸出電壓損失不同，該文還采用了按照輸出電流大小采用不同的死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。最后，進(jìn)行了補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該方法具有較好的補(bǔ)償效果。

關(guān)鍵詞：死區(qū)補(bǔ)償；模塊參數(shù)；離線測(cè)量1

引言

由于半導(dǎo)體器件具有非理想的開(kāi)關(guān)特性，因而導(dǎo)致了逆變器輸出電壓的非線性。文獻(xiàn)[1～5]描述了死區(qū)效應(yīng)的影響，其主要后果會(huì)導(dǎo)致基波電壓損失，低次諧波增加，輸出電流畸變，輸出轉(zhuǎn)矩減小，容易引起電機(jī)發(fā)生振蕩現(xiàn)象，甚至無(wú)法正常工作。另外，除了死區(qū)時(shí)間影響之外，開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通時(shí)間(ton)、關(guān)斷時(shí)間(toff)以及器件導(dǎo)通壓降也會(huì)造成輸出電壓損失。但是，在大多數(shù)情況下，進(jìn)行死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償時(shí)，都假設(shè)不管輸出電流大小，死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間都不變。文獻(xiàn)[6]針對(duì)某一功率模塊，采用手工實(shí)測(cè)各個(gè)電流段的電壓誤差來(lái)補(bǔ)償輸出電壓，該方法將隨不同功率模塊或不同廠家的功率模塊而必須進(jìn)行繁瑣的手工實(shí)測(cè)工作，局限性較大。文獻(xiàn)[7]和[8]采用施加直流定子電壓，在靜止坐標(biāo)系3/2變換基礎(chǔ)上，通過(guò)閉環(huán)求出補(bǔ)償時(shí)間。本文在借鑒了上述方法基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的不需要進(jìn)行坐標(biāo)變換的死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間離線測(cè)量方法，并且針對(duì)不同電流采用不同的死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間，以便達(dá)到最佳補(bǔ)償效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性。

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死區(qū)效應(yīng)分析

圖1是通用型逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖。下面以U相橋臂的電流流向負(fù)載（即正向電流）為例，進(jìn)行死區(qū)效應(yīng)分析。

當(dāng)電流流向負(fù)載時(shí)，上管導(dǎo)通時(shí)存在開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通壓降Vsat，下管續(xù)流時(shí)存在二極管導(dǎo)通壓降。由圖2(b)、(c)和(d)可以得出時(shí)間誤差。根據(jù)參考電壓伏秒面積等于補(bǔ)償后伏秒面積原則，可以推導(dǎo)出誤差電壓為[8]：

同理，當(dāng)電流由負(fù)載流向電源時(shí)（即負(fù)向電流），可以求出

由公式(1)可知，若Vdc保持不變，則輸出電壓損失與死區(qū)時(shí)間、器件開(kāi)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間以及器件壓降、二極管壓降等有關(guān)。一般情況下，死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間一旦選定，就會(huì)一直保持不變，但ton、toff、Vast和Vd都隨溫度和電流大小的變化而變化，很難保證最佳補(bǔ)償效果。本文僅考慮電流的影響，且不需要已知上述這些參數(shù)，只需通過(guò)施加不同直流定子電壓的方法，離線測(cè)量出不同電流時(shí)的死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間Tcom值，來(lái)達(dá)到最佳補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

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死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間離線測(cè)量方法

對(duì)逆變器連續(xù)施加一恒定的高頻直流磁場(chǎng)，即連續(xù)施加一恒定脈寬的直流電壓，如圖3所示。

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，只有“100”狀態(tài)是有效矢量，即在t1～t2和t3～t4期間，電源向負(fù)載提供能量，給定子電感充電，這段時(shí)間稱為有效矢量作用時(shí)間。其它時(shí)間都為零矢量，定子電感放電，如圖3所示。

由于脈沖寬度和電壓極性恒定，且連續(xù)作用一段時(shí)間（100～200ms），則定子電感在這段期間不停地重復(fù)充電、放電，并且每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的初始電流相同，即i(t0)=i(t5)，因此在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感能量變化為零，即電感兩端電壓為零。又由于開(kāi)關(guān)頻率較高（5kHz），在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感充、放電斜率很小，即電流變化不大，所以可以近似將定子電流看作不變的直流，其值等于電流平均值。因此，根據(jù)電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型及電氣結(jié)構(gòu)，認(rèn)為在上述情況下，定子側(cè)只有定子電阻rs參數(shù)（包括電感寄生電阻）耗能，而電感僅起維持電流連續(xù)作用。

假設(shè)三相負(fù)載平衡，考慮死區(qū)效應(yīng)，則可得基于平均定子電流的U相定子側(cè)直流等效電路模型，如圖4（a）所示，其中△Vcom表示補(bǔ)償電壓，△V表示電壓損失，V*s表示U相定子平均參考電壓。

將△VCOM和ΔV相減獲得補(bǔ)償后的電壓誤差：

△Verr=△Vcom-△V(8)

于是圖4(a)簡(jiǎn)化為圖4(b)，若施加兩個(gè)不同脈沖寬度的直流平均電壓，則產(chǎn)生不同的兩個(gè)直流平均電流，因此可推導(dǎo)出：

由式(9)和(10)可得：其中，△t1和△t2分別表示兩種脈沖寬度時(shí)有效矢量作用時(shí)間。

Tcom△Verr=0Tcom死區(qū)效應(yīng)的在線補(bǔ)償，閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示。

另外，為了在各種電流情況下更好地實(shí)現(xiàn)死區(qū)補(bǔ)償，本文還采用電流分段補(bǔ)償方法來(lái)修正補(bǔ)償效果。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，死區(qū)時(shí)間為5，根據(jù)圖5系統(tǒng)原理，針對(duì)四種電流情況分別求出相應(yīng)的Tcom值，存貯在EEPROM中，然后根據(jù)電流大小補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)，如表1所示。4

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用TI生產(chǎn)的TMS320F240為核心控制器。功率模塊是EUPEC生產(chǎn)的BSM35GD120DN2，典型開(kāi)通時(shí)間為120ns，關(guān)斷時(shí)間為450ns，Vsat為2.7V，Vd為2.3V。在圖6、圖7和圖8中，輸入電源電壓380V，電機(jī)功率4kW（9.5A/380V），載波頻率5kHz，死區(qū)時(shí)間5。

圖6分別表示U相電流、離線測(cè)試的補(bǔ)償時(shí)間和誤差電壓波形，其中對(duì)于U相施加的兩個(gè)有效矢量作用時(shí)間的初始值分別為△t1=25

，△t2=15，由于在每個(gè)測(cè)試周期內(nèi)兩個(gè)電流值的變化只有幾十毫安，而電流檢測(cè)時(shí)2A/div，所以U相電流變化趨勢(shì)不明顯，實(shí)際上兩個(gè)電流比值逐漸靠近某個(gè)恒值。而從補(bǔ)償時(shí)間和誤差電壓波形可以清晰看到閉環(huán)調(diào)節(jié)的過(guò)程。

圖7表示U、V和W相電流波形，其中iv=iw，iU=2iv。

由圖6和圖7可見(jiàn)：在一種直流脈沖寬度作用的時(shí)間內(nèi)，定子電流是平值的，因此證明上述分析中的假設(shè)是成立的，同時(shí)也說(shuō)明了離線檢測(cè)方法的正確性。

圖8（a）、（b）、（c）和（d）分別表示不同輸出頻率時(shí)，補(bǔ)償前后的一相定子電流波形。其中，補(bǔ)償后的電流波形是參照表1數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。由（a）、（b）和（c）圖可見(jiàn)：在低頻時(shí)，補(bǔ)償前的電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，補(bǔ)償后的電流波形接近正弦，而且補(bǔ)償前后電流均方根值有所不同，這主要由于死區(qū)影響造成的。由（d）圖可見(jiàn)，輸出頻率30Hz時(shí)，補(bǔ)償前的電流發(fā)生振蕩，補(bǔ)償后避免了振蕩情況。因此，證明利用上述方法測(cè)得的補(bǔ)償時(shí)間進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償是可行的。

5結(jié)論

本文針對(duì)由死區(qū)時(shí)間td、ton、toff、Vsat及Vd等參數(shù)所造成的輸出電壓損失，而采取了一種新穎的死區(qū)補(bǔ)償時(shí)間測(cè)量方法。同時(shí)，根據(jù)上述參數(shù)隨電流變化而變化的特點(diǎn)，采取了電流分段測(cè)量方法，對(duì)不同電流的死區(qū)補(bǔ)償采用不同的Tcom。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法是可行的，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

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