最小脉宽特性对高压三电平变频器的影响

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.21 No.12

Dec. 2006

最小脉宽特性对高压三电平变频器的影响

白 华 赵争鸣 张永昌 张海涛 袁立强

（清华大学电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室 北京 100084）

摘要 最小脉宽，即单个开关器件的最小导通和关断时间，在高压大容量变频调速系统运行过程中至关重要。本文通过仿真和基于IGCT的1.25MW/6000V三电平变频器上进行试验，对最小脉宽对大容量变频调速系统起动和稳态运行的影响进行了较为全面的评估，并在此基础上提出了相间最小脉宽的概念，既保证了单管最小脉宽，又在开关动作之间留有适当间隙。最后分析了最小脉宽与起动电流、稳态电流以及转矩脉动之间的关系，对大容量变频调速系统的安全运行有十分重要的指导意义。仿真和试验均验证了上述分析的正确性。

关键词：最小脉宽 死区 三电平变频器 变频调速系统 IGCT 中图分类号：TM921

Effect of Minimum Pulse Width on High Voltage Three-Level Inverters

Bai Hua Zhao Zhengming Zhang Yongchang Zhang Haitao Yuan Liqiang

（Tsinghua University Beijing 100084 China）

Abstract The proper setting of minimum pulse width is a fatal factor of reliable operation of high voltage and high power inverters equipped with GTOs and IGCTs. Through simulations and experiments on the platform of 6000V/1250kW three-level NPC inverter based on IGCT，the influence of the minimum pulse width on the dynamic and static characteristics of drive systems is estimated in the paper. The improvement on the conventional algorithm originally in allusion to the single switch is accomplished，as guarantees the proper minimum pulse width and switching intervals among different switches simultaneously. And the relationship among minimum pulse widths，starting performance，steady current and torque distortion are analyzed. Simulation and experiments validates of the corresponding analysis.

Keywords：Minimum pulse width，dead-time，three-level inverter，adjustable speed drive system，

IGCT

在HVASD系统中成为至关重要的影响因素。

以往的文献研究死区问题的很多，如死区导致但很少稳态波形畸变的问题以及死区补偿问题[1,2]，从系统的动态性能角度去考察死区的影响。对于最小脉宽的研究，往往根据开关器件的使用说明进行设置，而很少研究其对整个系统的起动性能、稳态性能方面的影响。研究半导体器件的学者们更关心的是从器件内部着眼而很少考虑控制[3]，电力电子工程师们更多考虑的则是控制性能和控制策略[4～6]，关心最小脉宽对于哪些区域内的电压矢量有限制作而对于当电压矢量接近这些受限区域时所产用[7,8]，

生的矢量畸变以及由此带来的系统性能恶化缺乏定量的描述；或者更关心在硬件实现最小脉宽的过程

1 引言

高压大容量变频调速（High Voltage Adjustable Speed Drive，HVASD）系统的可靠运行是当前电力电子领域内的热点研究问题。由于受到当前电力电子器件制作工艺和大容量电力电子装置成本的掣肘，HVASD中开关器件的电流、电压裕度往往不能像中小容量系统中那样宽裕，需要充分利用器件安全工作区，这就对HVASD系统的设计提出很高的要求。在中小容量系统中很多没有凸显出来的问题，如最小脉宽、死区等的设置及其对系统动态、稳态性能的影响，单管di/dt和dv/dt问题等往往

收稿日期 2005-12-07 改稿日期 2006-04-13

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中存在的困难[9]，而对其影响研究甚少。在实际应用中，仅仅满足于从稳态的视角来研究宏观的控制算法而忽视这些微秒级的物理量远不能实现变频器的安全运行。

本文将宏观的SVPWM控制算法与最小脉宽、死区等微观因素相结合，辅以在6000V/1250kW变频器上的相关试验结果，重点讨论了最小脉宽对大容量变频调速系统动、静态性能的影响，将微观的

最小脉宽等与宏观的控制算法、负载特性相结合，对于实际系统的安全有效运行有重要意义。

2 最小脉宽对起动性能的影响

2.1 最小相间间隔＋最小脉宽算法

基于IGCT的三电平中点钳位式主回路结构如图1所示。其中主开关管为IGCT，控制策略为空间矢量脉宽调制（SVPWM）。

图1 基于IGCT的三电平变频器主回路结构 Fig.1 Main topology of three-level inverter based on IGCT

2.1.1 最小脉宽

为了保证单个开关管的有效开通和关断，必须保证足够的单管有效导通/关断时间，防止因器件导通/关断失效导致输出电压波形畸变，或在器件尚未完全导通的时刻进行关断动作而造成器件开关失效。

以ABB公司的IGCT 5SHX08F4502为例，其最大承压4500V，最大可关断电流630A，开通上升时间＜1μs，关断下降时间＜1μs，在不到1μs的时间内完成了在IGCT和门级MOSFET之间的换流过程。但由于驱动信号本身存在一定的延时，加之外围di/dt和dv/dt吸收电路相对较长的时间常数（前者＜10μs，后者20μs左右)，一般不期望在外围缓冲吸收电路尚未稳定时进行开关动作，因此实际中最小脉宽的设置要适当放大。 2.1.2 死区设置

由于外围吸收电路Ls，Rs和Cs的存在，使得每个开关管在开通和关断的过程中都有一定的稳定时间。如A相电流方向，如图1中所示I0，在Sa1关断时刻，二极管导通，则有

dI

LL=iRR (1) dt

此时

且

VDCdI

−LL=UC (2) 2dt

dUC

=iR+iL (3) dt

联立式（1）～式（3），得

CLCd2iLdt2

+

LdiL

+iL=0 (4) Rdt

解上式，其特征根为λ1,2=(−D±D2−1)通解为

IL=

I01−

LC 设管子通态电流为I0，吸收电路中电感的电流

eλ1t+

I01−

eλ2t (5)

λ1λ2λ2λ1

其中，D=L/C2R，L＝9.2μH，C=2μF。

如不考虑IGCT的关断过程及快恢复二极管的，认为当IL/I0＜2%时线反向恢复特性，根据式（5）

路基本稳定，解得稳定时间为t=20μs。此时同一桥臂互锁的管子可以开通，互锁的两个开关管之间的动作间隔（即死区）要大于20μs。 2.1.3 最小相间间隔

按照传统的SVPWM算法[5]，七段式矢量作用时间见表1。其中，Ti（i=1,2,…,7）对应每个矢量

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的作用时间，P表示正母线电平，0表示中点电平，

往往忽视了单个矢量的作用时间Ti，抑或增加了算考虑到矢量扇区切换的情况，法实施的复杂程度[8]。修改算法如下

N表示负母线电平。各矢量的空间分布如图2所示。

表1 七段式矢量作用时间

Tab.1 Time distribution of seven-segment vectors

1 2 3 4 5 6 7 A P 0 0 0 0 0 P B 0 0 0 N 0 0 0 C 0 0 N N N 0 0 矢量

V1

V2 T2

V3 T3

V4 T4

V3 T5

V2 T6

V1 T7

⎧T4 minpulse＞

⎪

(7) ⎨T1,T7 minpulse＞

⎪T intervali=1,2,L,7⎩i＞

其中，interval为相间最小间隔，即在保证同一桥臂单管开关脉宽的基础上，保证了在不同桥臂的管子开关动作之间也留有一定的间隙，从而消除上述窄脉冲产生的波形畸变。

2.2 修正算法对起动性能的影响

电机起动时刻会出现大电流，这在很多文献中已有研究。文献[4]提出可以通过交、直流励磁预先建立磁场。由于本系统中变压器的存在，很难采用直流预励磁，在此采用降低起始调制比的交流预励磁方式来建立电机内部磁场。

但仿真表明，较低的调制比将受到最小脉宽，

T T1

图2 第一扇区空间矢量分布 Fig.2 The vector distribution in 1st sector

尤其是相间间隔的钳制。最小脉宽固定为40µs，当起始调制比k =0.05时，仿真结果如图4所示。

图2中，V12即矢量P0N，其他矢量以此类推。设定最小脉宽为minpulse，根据以往A相中单管最小脉宽的定义，有

minpulse⎧T4＞

(6) ⎨

T, T minpulse＞⎩17

在低速情况下，零矢量的大量使用会造成小矢量时间相对较短，式（6）仅能保证单管最小脉宽，如果表1中00N持续时间T3过短，将出现从矢量

000过渡到0NN的过程中两相桥臂几乎同时动作的情况。控制算法上发出的窄脉冲配合外围吸收电路，使线电压中出现如图3所示的异常脉冲而导致线电压波形畸变，此处两个脉冲的脉宽不足3μs。

(a) 相间间隔对最大起动电流的影响（死区30μs）

图3 控制＋电路窄脉冲（试验波形） Fig.3 The narrow pulses in the experiment

（b）死区对最大起动电流的影响(相间间隔=最小脉宽=40μs)

图4 最小脉宽和死区对起动电流的影响 Fig.4 Effect of minimum pulse and dead-time on the

starting current

以往的改进算法在保证单管最小脉宽的前提下

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可见，死区对于起始电流的影响并不大，而起动电流随着相间间隔的增加而增加。相间间隔偏大使得起始最低调制比失效，造成过大起动电流。而电流并不能一味减小，否则无法获得较大的起动转矩。本文选取最小脉宽50μs，最小相间间隔40μs，如果考虑到死区效应,则实际作用到单管死区30μs。

的最小开通脉宽为20μs，最小相间间隔为10μs。既保证了不同桥臂之间的开关管动作间隔

40−30=10μs，抑制过大起动电流，又兼顾较大的起动转矩。

(c) 最小脉宽70μs时空间电压矢量分布

3 最小脉宽对稳态性能的影响

根据一般的三电平SVPWM算法[5]，最小脉宽对于稳态电压波形的畸变是显而易见的，尤其是在调制比较低的低速运行工况中。为了定量地对其进行说明，此处固定死区30μs，相间间隔40μs，将最小脉宽从10μs变到70μs，仿真描绘出系统5Hz运行时空间电压矢量分布如图5所示。

低速运行时，最小脉宽对于稳态电压波形的畸变更多体现在使得空间矢量呈现束状集中在某些区域内。这种畸变将直接导致电机的磁通出现畸变，进而导致转矩畸变，表2列出了仿真5Hz运行下的转矩纹波比较。

图5 最小脉宽对空间电压矢量的畸变 Fig.5 Vector distortion by minimum pulse width

表2 5Hz运行下转矩纹波比较 Tab.2 Torque ripples under 5Hz operation

最小脉宽/μs 平均转矩/(N·m）转矩纹波（%）

10 40 70 210 230 218 120 400 750

可见，最小脉宽的设置直接限制了控制算法的实施，尤其在低频下更为显著。仿真表明，它是变频调速系统低频振荡的一个不可忽视的因素。这也从另一个侧面解释了文献[6]研究FOC和DTC时，发现无论哪种控制策略的低速性能均不能令人满意。

4 最小脉宽与系统额定稳态电流的关系

设定最小脉宽50μs，相间间隔40 μs，死区

30 μs，开关频率600Hz。这样，在50Hz稳态运行时，空间电压矢量将对称地分布在12个小扇区内。在1250kW变频器试验中获得50Hz稳态数据如图6所示。

结果表明，在同样负载情况下，稳态空间电压矢量所处位置不同，负载电流变化很大。由于累积误差的影响，每个运行周期内，空间电压矢量的角度总不相同，但电压波形仍可保持较好的对称性。

将电压矢量置于扇区不同角度内的50Hz稳态电压波形进行频谱分析，所得结果如图7所示。显然越靠近扇区边缘，最小脉宽的影响越显著，对电压的畸变越明显。仿真中如果将最小脉宽调整到

(a) 最小脉宽10μs时空间电压矢量分布

2 μs，死区1 μs，则发现起始角度在0°～ 5°变 化时，50Hz稳态最大电流波动范围大大降低，为451～

(b) 最小脉宽40μs时空间电压矢量分布

485A。试验和仿真数据的差别归结为建模时电机、滤波器和升压变压器参数的误差。

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图6 电流随着角度增加的关系（试验波形）

Fig.6 Starting angle vs. steady current

(experimental waveform)

（d）起始角度为0°时变频器输出电流FFT试验波形

（7次谐波140A，8次谐波80A）

图7 仿真和试验电压、电流频谱分析 Fig.7 Simulated & experimental voltage and current

由于滤波器的谐振频率选在300Hz左右，将滤即刚好在7波器+电机的阻抗特性绘制如图8所示，

次和8次谐波处对应的特性阻抗均较小，此处的最

小脉宽带来的电压畸变将在此频率附近产生较大的谐波电流。因此，从根本原因上来讲，空间电压矢量所处位置不同，受最小脉宽和死区的影响不同，从而导致了输出电压波形的变化。当这种变化和负载特性结合在一起时，将导致负载电流的大幅变化振荡。特定消谐算法[7]或同步调制可以很好地解决这一问题。

（a）起始角度为5°时变频器输出电流FFT仿真波形

（7次谐波30A，8次谐波20A）

（b）起始角度为0°时变频器输出电流FFT仿真波形

（7次谐波70A，8次谐波40A）

图8 滤波器+电机的阻抗特性

Fig.8 The impedance characteristics of LC and motor

5 结论

最小脉宽和死区的正确设置是大容量变频调速系统可靠运行的重要保证。由于控制算法以及di/dt和dv/dt吸收电路综合作用将产生异常窄脉冲，在此又引入了相间间隔以保证开关动作之间留有足够裕量。本文系统地分析了三者对于变频调速系统的起动、低速稳态（5Hz轻载）和高速稳态（50Hz满载）运行时的影响，仿真和试验分析均表明，最小脉宽

（c）起始角度为5°时变频器输出电流FFT试验波形

（7次谐波20A，8次谐波80A）

是重要影响因素，是造成起动大电流、低速稳态转矩畸变以及额定运行时电流大幅振荡的不可忽视的原因。

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5 Ge Qiongxuan，Wang Xiaoxin，Shutian Zhang，et al.

A high power NPC three-level inverter equipped with IGCTs[C]. Power Electronics and Motion Control Conference，2004，3: 1097～1100 6

赵争鸣，袁立强，张海涛. 通用变频器矢量控制与直接转矩控制特性试验比较[J]. 电力电子, 2004, 2 (1): 14～19

Zhao Zhengming, Yuan Liqiang, Zhang Haitao, et al. The comparison experiments of general inverters based on vector control and direct torque control[J]. Power Electronics, 2004, 2(1): 14～19 7

Seixas P F，Mendes M A S，Donoso-Garcia P，et al. An algebraic PWM method for three-level voltage source inverters[C]. Industry Applications Conference，2000，4: 2177～2184 8

Liu H L. Three level space vector PWM in low index modulation region avoiding narrow pulse problem[J]. IEEE Trans. on Power Electronics, 1994, 9(5): 481～486

9 Yo-Han Lee，Bum-Seok Suh，Dong-Seok Hyun. A

novel PWM scheme for a three-level voltage source inverter with GTO thyristors[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，1996，32(2): 260～268

作者简介

白 华 男，1980年生，博士研究生，主要研究方向为高压大容量电力电子与电机集成系统。

赵争鸣 男，1959年生，教授，博士生导师，主要从事高压大容量电力电子与电机集成系统，太阳能光伏发电系统等方向的研究。

目前，关于最小脉宽、死区以及本文所提出的相间间隔的设置尚缺乏一套比较合理的选择方案，本文主要考察的是最小脉宽的影响，在死区和最小脉宽以及相间间隔的设置上还存在一定的经验因素。为了保证大容量ASD的稳定运行，这几个短时间尺度物理量的设置需要考虑的因素很多，不仅需要考虑到最大限度挖掘开关管的使用裕量，还要综合考虑其对于系统动、静态性能的影响。

参考文献

1 Li Haishan，Li Yaohua，Ge Qiongxuan. Dead-time

compensation of 3-level NPC inverter for medium voltage IGCT drive system[C]. Power Electronics Specialists Conference，2004，Aachen，Germany，2004, 5(20): 3524～3528 2

Choi Jong Woo，Sul Seung Ki. A new compensation strategy reducing voltage/current distortion in PWM VSI systems operating with low output voltages[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1995, 31 (5): 1001～1008

3 Januszewshu，Kociszewska Szcter M，Swiqtek H，et

al. Causes and mechanisms of semiconductor device failures in power converter services[C]. Proceedings of the 6th Conference on Power Electronics and Applications，1995，Sevilla，Spain，1995, 1: 625～638

4 Juhasz G，Halasz S，Veszpremi K. New aspects of a

direct torque controlled induction motor drive[C]. Proceedings of IEEE International Conference on Industrial Technology，2000，Goa，India，2000，2: 43～48

（上接第53页）

15 Crow M L, Ilic M, Pai M A. The paralllel

implementation of the waveform relaxation method for transient stability simulations[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1990, 5(3): 922～932

16 Hou Lanjuan, Anjan Bose. Implementation of the

waveform relaxation algorithm on a shared memory computer for the transient stability problem[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1997, 12 (3): 1053～1060

17 张伯明，陈寿孙．高等电力网络分析[M]．北京：清

华大学出版社，1996

18 夏道止．电力系统分析[M]．北京：中国电力出版社，

1998

19 倪以信，陈寿孙，张宝霖．动态电力系统的理论和

分析[M]．北京：清华大学出版社，2002

作者简介

林济铿 男，1967年生，博士，副教授，研究方向为电力系统稳定性分析及控制，电力市场，人工智能在电力系统中的应用。 李杨春 男，1981年生，硕士研究生，研究方向为电力系统稳定性分析及控制。