[논문 리뷰] Dead-time Compensation Method for Bus-clamping Modulated Voltage Source Inverter

Reza Asrar Ghaderloo, Yidi Shen외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 21.

Multilevel Inverters and ConvertersEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 3상 전압 소스 인버터에서 버스 클램핑 PWM를 사용한 사망시간 보정 방법을 제안하여 전압 왜곡을 완화하고 THD를 감소시킨다. 운영 조건(특히 제로크로싱 근처의 특수 저전류 전략 포함)에 따라 동적으로 보정 항을 계산함으로써 출력 전압 품질을 향상시키며, 60 Hz 기본 주파수에서 100 kHz 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스위칭 전이 및 클램프 영역로 인해 버스 클램핑 PWM VSI의 사망시간으로 인한 전압 왜곡과 THD 증가 문제를 해결한다.
• 고주파 스위칭과 클램프 상태를 조합한 하이브리드 동작 모드에서 악화되는 사망시간 영향을 극복한다.
• 저전류 조건, 특히 제로크로싱 근처를 포함한 광범위한 운영 조건에 적응 가능한 보정 전략을 개발한다.
• 실시간으로 변조 신호를 수정하여 사망시간에도 불구하고 펄스 전압 추적 정확도를 확보한다.
• 100 kHz, 60 Hz 3상 VSI에서 제안된 방법의 효과성을 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증한다.

제안 방법

• 실제 스위칭 상태와 전류 방향에 기반하여 변조 신호에 더할 동적 보정 항을 계산한다.
• 고주파 스위칭과 클램프 영역을 모두 고려하여 보정을 버스 클램핑 PWM 체계에 통합한다.
• 제로크로싱 근처의 저전류 조건에서 왜곡을 방지하기 위해 특수 보정 전략을 적용한다.
• 전류 및 전압 상태를 실시간으로 추정하여 다양한 부하 조건에서 보정 항을 조정한다.
• 100 kHz 스위칭 주파수와 60 Hz 기본 주파수를 가진 3상 VSI에 방법을 구현한다.
• 실제 운영 조건에서 성능을 평가하기 위해 시뮬레이션 및 하드웨어 실험을 통해 방법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 버스 클램핑 PWM 기반 3상 VSI에서 사망시간은 클램프 영역에서 출력 전압 품질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 광범위한 운영 조건에서 THD와 전압 왜곡을 효과적으로 감소시킬 수 있는 보정 전략은 무엇인가?
• RQ3 제로크로싱 근처의 저전류 조건에서 사망시간 보정을 어떻게 적응시켜 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ4 버스 클램핑 PWM의 하이브리드 스위칭 및 클램프 동작 특성에도 불구하고 제안된 방법이 정확한 펄스 전압 추적을 유지할 수 있는가?
• RQ5 100 kHz, 60 Hz 3상 VSI에서 제안된 보정 방법의 실험 및 시뮬레이션 검증 결과는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 사망시간 보정 방법은 버스 클램핑 PWM VSI에서 전압 왜곡을 크게 감소시키고 출력 전압 품질을 향상시킨다.
• 보정 전략은 선로 주기의 고주파 스위칭 영역과 클램프 영역 모두에서 사망시간의 악영향을 효과적으로 완화한다.
• 제로크로싱 근처의 특수 저전류 보정 전략은 임계 전류 전이 단계에서의 고조파 왜곡을 성공적으로 방지한다.
• 시뮬레이션 및 실험 결과는 100 kHz 스위칭 주파수와 60 Hz 기본 주파수에서 방법의 효과성을 확인한다.
• 실시간 전류 및 스위칭 상태 정보에 기반하여 변조 신호를 동적으로 조정함으로써 정확한 펄스 전압 추적을 가능하게 한다.
• 특히 다양한 부하 및 저전류 조건에서 기존의 사망시간 보정 대비 전체 THD가 감소한다.