[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种基于母线钳位PWM的三相电压源逆变器的死区时间补偿方法，以减轻电压畸变并降低总谐波畸变率（THD）。通过根据运行条件（包括在零点附近采用特殊低电流策略）动态计算补偿项，提升了输出电压质量，已在100 kHz开关频率、60 Hz基波频率下通过仿真和实验验证。

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.

研究动机与目标

• 解决由于开关转换和钳位区域导致的母线钳位PWM VSI中死区时间引起的电压畸变和THD增加问题。
• 克服在高频开关与钳位状态相结合的混合工作模式下死区效应加剧的问题。
• 开发一种可在广泛运行条件下自适应的补偿策略，包括在零点附近低电流情况下的表现。
• 通过实时修改调制信号，确保在存在死区时间的情况下仍能准确跟踪极对电压。
• 通过100 kHz开关频率、60 Hz基波频率的三相VSI中的仿真与实验验证，确认所提方法的有效性。

提出的方法

• 根据实际开关状态和电流方向，计算需添加到调制信号中的动态补偿项。
• 将补偿集成到母线钳位PWM方案中，同时考虑线路周期内的高频开关与钳位区域。
• 在零点附近电流较低的区域应用专门的补偿策略，以防止畸变。
• 通过实时估算电流与电压状态，根据负载变化调整补偿项。
• 在100 kHz开关频率与60 Hz基波频率的三相VSI中实现该方法。
• 通过仿真与硬件实验验证方法性能，评估其在真实运行条件下的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在母线钳位PWM三相VSI中，死区时间如何影响输出电压质量，特别是在钳位区域？
• RQ2 何种补偿策略可有效降低广泛运行条件下的THD与电压畸变？
• RQ3 如何使死区时间补偿适应零点附近低电流条件下的性能保持？
• RQ4 所提方法是否能在母线钳位PWM的混合开关与钳位行为下，仍保持准确的极对电压跟踪？
• RQ5 在100 kHz、60 Hz三相VSI中，所提补偿方法的实验与仿真验证结果如何？

主要发现

• 所提出的死区时间补偿方法显著降低了电压畸变，提升了母线钳位PWM VSI的输出电压质量。
• 该补偿策略有效缓解了死区时间对线路周期中高频开关与钳位区域的不利影响。
• 在零点附近采用的特殊低电流补偿策略，成功防止了关键电流过渡阶段的谐波畸变。
• 仿真与实验结果证实，该方法在100 kHz开关频率与60 Hz基波频率下具有有效性。
• 通过根据实时电流与开关状态信息动态调整调制信号，实现了准确的极对电压跟踪。
• 与传统死区时间补偿相比，整体THD显著降低，尤其在负载变化与低电流条件下表现更优。