[論文レビュー] Dead-time Compensation Method for Bus-clamping Modulated Voltage Source Inverter

Reza Asrar Ghaderloo, Yidi Shen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2023

Multilevel Inverters and ConvertersEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、三相バイポーラ型電圧源インバータにおけるデッドタイム補償手法を提案し、バスクラムピングPWMを用いて電圧歪みを低減し、THDを低下させる。動作条件に応じて動的に補償項を計算することで、ゼロクロス付近の低電流状態を含めた広範な運転条件において出力電圧品質を向上させる。100 kHzスイッチング周波数、60 Hz基本周波数でシミュレーションおよび実験により検証された。

ABSTRACT

Bus-clamping Pulse Width Modulation (PWM) is an effective method to reduce the switching loss in a three-phase voltage source inverter (VSI). In bus-clamping PWM scheme, the phase legs are switched using high frequency PWM signals for two-third of the line cycle, while for the remaining duration of cycle, the pole voltage is clamped to either positive or negative rail of the DC bus. In PWM operation of a half bridge, a dead-time is applied between the gate signals of complementary switches to ensure safe and reliable operation. However, introduction of dead-time leads to poor power quality, increased Total Harmonic Distortion (THD) and variation in actual voltage compared to the intended pole voltage. Moreover, when the bus-clamping technique is used, the PWM has both high frequency switching region and clamped region in a line cycle, and consequently, the undesired effects of dead-time are further aggravated. Therefore, in order to enhance the quality of output voltage, this paper presents a dead-time compensation strategy for a VSI operating with bus-clamping PWM. The proposed method calculates the required compensation term to be added on the modulation signal considering wide range of operating conditions. Additionally, the compensation includes a new strategy for low current conditions near zero-crossing to avoid distortion. The proposed method is verified by simulation and experiments in a three-phase VSI with a switching frequency of 100 kHz and a fundamental frequency of 60Hz.

研究の動機と目的

• スイッチング遷移およびクラムピング領域によるデッドタイムの影響で生じる電圧歪みおよびTHDの増大を解消する。
• 高周波スイッチングとクラムピング状態を併用するハイブリッド運転モードにおけるデッドタイム効果の悪化を克服する。
• 低電流状態（特にゼロクロス付近）を含む広範な運転条件に適応可能な補償戦略を開発する。
• 実時間で電流およびスイッチング状態を調整することで、デッドタイムの影響を受けても正確なポール電圧追従を実現する。
• 100 kHzスイッチング周波数、60 Hz基本周波数の三相VSIにおいて、提案手法の有効性をシミュレーションおよび実験的に検証する。

提案手法

• 実際のスイッチング状態および電流方向に基づき、変調信号に加える動的補償項を計算する。
• 高周波スイッチングおよびクラムピング領域を含むラインサイクル全体にわたって、補償をバスクラムピングPWM方式に統合する。
• ゼロクロス点近辺の低電流状態において歪みを防止するための特別な補償戦略を適用する。
• 電流および電圧状態のリアルタイム推定を用いて、負荷条件の変化に応じた補償項の調整を実施する。
• 100 kHzスイッチング周波数および60 Hz基本周波数の三相VSIに本手法を実装する。
• シミュレーションおよびハードウェア実験により、実運用条件下での性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バスクラムピングPWMを用いた三相VSIにおいて、特にクラムピング領域でデッドタイムが出力電圧品質に与える影響は何か？
• RQ2 広範な運転条件において、THDおよび電圧歪みを効果的に低減できる補償戦略は何か？
• RQ3 ゼロクロス付近の低電流状態において、デッドタイム補償をどのように適応させるか？
• RQ4 バスクラムピングPWMにおけるハイブリッドスイッチングおよびクラムピング動作に対しても、提案手法は正確なポール電圧追従を維持できるか？
• RQ5 100 kHzスイッチング周波数、60 Hz基本周波数の三相VSIにおいて、提案補償手法の実験的およびシミュレーション的検証結果は何か？

主な発見

• 提案されたデッドタイム補償手法は、バスクラムピングPWM VSIにおいて電圧歪みを顕著に低減し、出力電圧品質を向上させた。
• 補償戦略は、ラインサイクルにおける高周波スイッチング領域およびクラムピング領域の両方で、デッドタイムの悪影響を効果的に緩和した。
• ゼロクロス付近の低電流状態に特化した補償戦略により、重要な電流遷移段階での高調波歪みが防止された。
• シミュレーションおよび実験結果から、100 kHzスイッチング周波数および60 Hz基本周波数下での手法の有効性が確認された。
• リアルタイムでの電流およびスイッチング状態情報に基づき、変調信号を動的に調整することで、正確なポール電圧追従が実現された。
• 特に負荷変動および低電流状態下において、従来のデッドタイム補償手法と比較して、全体のTHDが低減された。