[发明专利]一种消除九开关变换器死区的控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种消除九开关变换器死区的控制系统及方法。

背景技术

目前功率变换器正向小型化，高可靠性和低损耗方向发展。在这种趋势下出现两种改进变换器的方向：减少无源器件或者改进变换器拓扑结构以减少有源器件。作为减少有源器件方向的新进展，九开关变换器相对于传统的十二开关变换器减少了三个开关及相应的驱动电路，在考虑成本与体积的应用中占有一定的优势。其结构如图1。

九开关变换器的两组输出可以同时控制两台电动机，实现双电机驱动。其运行模式分为同频运行和异频运行两种。在双电机驱动应用中，需要检测电流以控制电机的转矩。上端输出电流I_up和下端输出电流I_dn经电流传感器取样反馈分别与参考信号I_ref1和I_ref2比较并经过比例积分(Proportional-Integral，PI)调节器进行调节。在运行中，为保持两组端子归一化伏-秒均值，上端端子开关的开启时间要长于下端端子，相应的下端端子的关断时间要长于上端端子，因而在控制中加入了电平移动环节。经过电平移动将参考波形合理排布从而保证上端端子开关开启时间长于下端，同频模式下的参考波形排布结果如图2所示。而图3则展示了异频模式下不连续脉宽调制(Discontinuous Pulse Width Modulation，DPWM)运行的参考波形排布：上部和下部参考波形分别设为最大120°DPWM和最小120°DPWM。为避免直流环节直通，在脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)环节死区可以自然的插入开关信号序列中——用带死区保护的SX(X＝A，B，C)，SY(Y＝U，V，W)开关序列通过异或门。这样，异或门将按预定义的死区时间延迟SXY的开通状态而不必将延迟引入每相的全部开关的开通。除了特别的参考波形排布，开关信号仍然由正弦-三角波比较法和异或门处理的方法得到。与相角相差180°的同频模式调制十分相似，异频模式正常的最大输出不会大于1.15，这是由于为保证输出电能质量而制定的严格约束：保持上部参考波始终高于下部参考波。

在以上所述的方法中，插入死区是不可省略的步骤。在实际运行中由于开关存在结电容，从而造成器件导通关断的延迟现象，为避免在关断过程中发生一相桥臂的直通短路，加入了同相桥臂上的开关同时关断的时间。这种做法减少了有效开关周期并会消去临近过零点的较窄开关信号，其不利影响如下：

1.影响电压波形质量。造成基波电压损失，低次谐波增加。

2.影响电流波形质量。使电流相位滞后，波形畸变。

3.影响输出能力。有效开关周期减小使输出电压降低，影响效率。

4.在电机控制中会使电机发生震荡，输出转矩减小，尤其在低速时更加明显。

5.在实际工程应用中错误的死区设置可能造成死区失去保护作用。

在目前已经出现的优化方法中，死区补偿在理论上具有可行性但在实践中却因实现复杂而限制了应用，并且这种补偿没有从根本上消除死区的影响，因而无论是对传统功率变换器还是九开关变换器，完全消除死区就具有较大的意义。

在这种背景下，针对两电平逆变器的死区消除办法被提出。这种方法将桥臂处理为如图4所示的开关单元。当相电流流出桥臂，开关单元S⁺的状态决定于开关信号而同时S^-保持关断；相反的，当相电流流入桥臂，开关单元S⁺保持关断而开关器件S^-用以调节电流波形的质量。这种方法使用反并联二极管来确保电流自然流动并使相应的开关在半周期内保持关断。只需检测电流极性或是反并联二极管的开关状态就可以实现死区消除的操作。然而由于两组输入输出电流方向的变化，这种简单的方法无法在九开关变换器上直接应用。如果简单将两电平电压源型逆变器(Voltage Source Inverter，VSI)的死区消除规律运用到九开关变换器的两组输入输出电流上，在决定是否关断某相桥臂的某个开关时可能会发生冲突。

发明内容

为弥补现有技术的不足，实现在九开关变换器的各种运行工况中消除死区，本发明提供了一种消除九开关变换器死区的控制系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种消除九开关变换器死区的控制方法，该方法包括如下步骤：

Step1：首先判断电机的运行模式并初始化开关状态，同时得到输出电流；

Step2：霍尔电流传感器对输出电流取样；