T型三电平逆变器的死区补偿策略研究

陈 玲，纪 萍，吴静妹

T型三电平逆变器的死区补偿策略研究

陈 玲，纪 萍，吴静妹

（皖江工学院 电气信息工程系，安徽 马鞍山 243031）

对T型三电平逆变器的控制方法进行了分析，通过引入的死区补偿的方法将原系统出现的输出电压4种畸变变成2种，最终实现了补偿。实验证明，该方法有效地补偿了输出电压的畸变。

三电平逆变器；控制策略；死区效应

近年来，在NPC拓扑的基础上发展提出的T型三电平拓扑，由于损耗减少，成本更低，越来越受关注。多电平逆变器的输出电压波形阶梯数增多，波形的质量更高[1]，但由于拓扑中增加了一个双向的开关器件，导致在不同的开关状态下切换时，会出现直流母线短路的情况，从而进一步损坏开关器件。因此，在每次开关切换时，通过加入一定的补偿时间，来改变开关器件的实际导通过程，去除死区效应[2]。本文分析了三电平T型逆变器的工作原理，并通过加入的死区时间进行补偿，实现了较好的输出。

1 T型三电平逆变器死区原理

如图1拓扑结构所示，三相桥臂中每相各包含4个功率开关器件，形成T型结构，且每个功率开关器件并联一个二极管，因此称为T型三电平逆变器拓扑结构[3]。

图1 T型三电平逆变器拓扑

当逆变器工作时，开关器件的开通或者关断状态应严格互补。但由于功率开关器件不是理想的器件，在实际工作过程中，开通或关断都会有一定的延时。因此，如果将原本严格互补的驱动信号加到实际的开关器件上后，则会导致开关器件原本应关断而未关断，而另一开关器件已开通，最终整个回路直通，发生短路现象，进一步开关管损坏[4]。若在实际工作中，能对驱动信号加入一个死区的时间，则能避免上述短路状态，确保系统正常工作。

在T型三电平拓扑中，存在着2种需要加入死区可能短路情况，以A相为例，如图2所示。

图2 短路情况

当P-O状态切换时，S1与S4为互补状态，但可能会使C1回路短路。

当O-N状态切换时，S2与S3为互补状态，但可能会使C2回路短路。

如图3所示，当S1与S4发生直通时，即发生P-N状态切换时，会导致C1、C2串联回路短路，这种电平切换情况由于在控制策略中已经避免，所以无需考虑死区时间，为防止开关管意外触发动作，仍需在保护电路中予以保护，防止发生短路。

图3 直通情况

常用的加入死区时间的方法是“延时导通，按时关断”，即控制功率开关管延时一个死区时间导通[5]。如图4所示，原有的驱动信号严格互补，在此期间加入一死区时间，此时间应由功率器件的开关时间决定。IGBT的死区时间一般设置在2～10 μs。由图4可见，当系统加入一个死区时间，开关器件的驱动波形下降沿不变，但上升沿延迟了一个死区时间，以保证开关器件有足够的时间关断。若按此方法，加入的死区时间即会改变驱动信号的脉宽，则必然会进一步改变系统的输出。

图4 死区示意图

2 死区效应影响

当电路工作于死区状态，原开关器件都关断，电路为续流二极管续流的工作状态，输出的电压幅值也随导通路径的不同而不同。下面以A相为例来说明。

如图2中，电路处于P-O的状态切换时，会出现2个死区：①S1开通，S3、S4关断；②S1关断，S3、S4开通。在死区期间，S1、S2、S3均不导通，若a>0，二极管D2进入续流状态，因此导通，此刻桥臂的输出为低电平状态N；若a<0，，二极管D1进入续流状态，因此导通，此刻桥臂的输出为高电平状态P。同理，电路处于O-N的状态切换时，若a>0，桥臂输出低电平N；若a<0，桥臂输出高电平P。因此，在系统工作与死区状态，输出电压仅由负载输出电流的极性而定。

如图5所示，系统工作时P-O切换和O-P切换时，A相的实际输出波形。可见，在考虑死区情况后，系统的输出相电压会出现4种情况的畸变。因此，要对其进行补偿。

3 死区补偿方法

如图2所示，当系统工作考虑死区情况后，在P-O状态切换时，上半桥臂会形成短路；同理，在O-N状态切换时，下半桥臂也会形成短路。由上一节控制策略可知，对于上半桥臂，在a>0时，若使开关管S4一直保持关断，则不会出现短路情况，而对应的a>0的死区情况也不会出现。同理，对于下半桥臂，在a<0时，若使开关管S3一直保持关断，则也不会出现短路情况，而对应a<0的死区情况也不会出现。

由上述分析可知，只需对2个开关过程：a>0的O-N状态切换和a<0的P-O状态切换过程，加入一死区时间补偿即可。通过这种补偿，使得原本复杂的死区效应得到了简化，完成了补偿。

如图5(a)所示，当系统工作考虑死区情况后，实际输出比理想输出，电压多了一段高电平，时间为d。但若系统引入补偿后，则改变了开关器件实际的导通时间，改善输出。

如图6所示，在开关器件S1的导通时间在理想导通时间上缩短了d，则开关器件S3的开通时间就会延长d，最终使得电压输出实际值接近参考值，仅实际的输出波形在相位上滞后了时间d[6]。

图6 补偿示意图

4 实验验证

通过对T型三电平逆变器系统的研究分析，进一步进行了仿真，并搭建逆变器系统的实验平台，具体结构如图1所示。逆变器工作的直流电源采用功率直流稳压电源，直流侧电压为30 V；直流侧分压电容选用3 300 µF/100 V的电解电容；逆变桥功率开关器件选择IRFP250N型MOSFET，额定电流为30 A，额定电压为200 V。考虑功率器件工作时会产生大量热量，实验中，将MOSFET固定在铝合金散热器表面，以满足元器件的散热要求。软件部分采用dsPIC和FPGA芯片相结合的方式，由dsPIC通过控制程序产生6路逻辑控制信号，经过FPGA译码，同时进行死区处理后，最终输出12路PWM信号，控制驱动逆变桥。

在实验过程中，设置的死区时间为2 μs。如图7可见，加入死区后，2个开关器件的开通关断信号存在2 μs的时间差，可避免直通现象。

图7 死区波形

驱动电路部分采用TLP250驱动芯片来搭建，然后通过对信号的放大实现开关器件的驱动。如图8所示，为驱动电压波形，工作频率为10 kHz，+15～-5 V，保证驱动IRFP250N型MOSFET。

在空载情况下，系统输出A相相电压波形，如图9所示。可见，相电压波形有3个电平，即+dc/2、0和-dc/2。在空载情况下，系统输出线电压波形，如图10所示，可见，共有5个电平，经滤波后波形为50 Hz的正弦波。

图8 驱动电压波形

图9 A相相电压波形

图10 空载线电压波形

图11(a)所示为带阻感负载情况下，逆变器输出的线电压波形。由于负载为阻感负载，在死区期间，由于不控电压对输出电压造成影响，波形畸变较为严重，滤波后的波形如图11(b)所示。

图11 补偿前输出线电压波形

如图12(a)所示，为补偿后线电压波形。由图可见，当系统经过死区补偿，输出波形能得到明显的改善，死区造成的影响能大大地降低，图12(b)为滤波后的线电压波形，波形恢复光滑的正弦波，达到了补偿效果。实验结果验证了系统死区补偿策略的可行性和有效性。

图12 补偿后输出线电压波形

5 结语

本文对T型三电平逆变器系统的死区原理进行了详细的分析，阐述了死区效应带来的影响。通过引入死区补偿，优化了控制方法。基于此，搭建了系统实验平台，完成了实验。实验结果表明，引入死区补偿策略后，将原系统出现的输出电压4种畸变变成2种，实现了补偿。实验验证了该方法的可行性与有效性。

[1] 孙超, 严成, 张扬帆, 等. T型三电平并网逆变器两种调制策略研究[J]. 电源学报, 2013(3): 42-47.

[2] 郑诗程, 彭勃, 徐礼萍, 等. T型三电平拓扑的PWM控制策略[J]. 电力系统及其自动化学报2016(2): 93-97.

[3] Mario Schweizer, Johann W Kolar. Design and Implementation of a Highly Efficient Three-Level T-Type Converter for Low-Voltage Applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(2): 899-907.

[4] 陈惠荣. 逆变器死区效应机理和典型补偿方法的研究[D]. 天津: 天津大学, 2007.

[5] 周京华, 贾斌, 章小卫, 等. 三电平逆变器死区补偿策略研究[J]. 电机与控制学报, 2013, 17(5): 69-74.

[6] Nabae A N, Takahashi, Akagi H. A new neutral-point-clamped PWM inverter[J]. IEEE Trans on Industry Application, 1981, 17(5): 518-523.

Research on Dead Time Compensation Strategy of Three-level T-type Inverter

CHEN Ling, JI Ping, WU Jing-mei

（School of Electrical and Information Engineering, Wanjiang University of Technology, Ma’anshan 243031, China）

Compared with the traditional diode clamped three-level inverter, the three-level T-type inverter reduces six clamping diodes. Then it can reduce the loss and the device volume, which has a broad development prospect. In this paper, the characteristics and influence of the dead time of the topology are analyzed. And through the introduction to the dead time compensation strategy, the four kinds of output voltage distortion in the original system are changed into two kinds, and the compensation is realized finally. The result of experiment shows that it can effectively compensate the distortion of the output voltage by this method.

three-level inverter; control strategy; dead time effect

10.15916/j.issn1674-3261.2022.06.007

TM464

A

1674-3261(2022)06-0382-04

2020-12-28

安徽高校自然科学研究项目(KJ2021A1215)；安徽省高校优秀青年人才支持计划项目(gxyq2019149)

陈玲(1982-)，女，安徽安庆人，副教授，硕士。

责任编辑：孙 林