刘和平　董治平　邱彬彬　游逍遥　郭强

摘 要：針对低压电动汽车用电压源逆变器（VSI）低压大电流的工况，充分考虑死区时间、开关管开通及关断延时等因素，特别是开关管导通时呈现电阻性质导致的导通压降变化，建立低压电动汽车用电压源逆变器输出特性方程，依据推导的输出特性方程和参考量得出误差，从而在低压大电流的工况下进行精确地补偿。同时考虑到逆变器非线性因素的补偿过程中需要获取准确的电流极性，而相电流过零点附近存在电流检测毛刺与零电流箝位效应，导致电流过零点附近电流极性判定不准确，提出一种反向补偿的方法促使电流提前过零，在电流过零点附近避免了复杂的电流极性判定与计算的同时，也进行了有效的逆变器非线性因素补偿。最后通过仿真及实验结果证明了所提出的逆变器输出特性方程及补偿方法的正确性与可行性。

关键词：低压电动汽车;电压源逆变器;感应电机;死区效应;开关管导通压降;电流极性;零电流箝位效应

DOI：10.15938/j.emc.2020.09.004

中图分类号：TM 464

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2020）09-0030-09

Compensation method for nonlinear factors of inverter for low voltage electric vehicle

LIU He-ping1， DONG Zhi-ping1， QIU Bin-bin2， YOU Xiao-yao1， GUO Qiang3

（1.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology，Chongqing University， Chongqing 400044，China; 2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410004，China; 3.Chongqing Engineering Research Center of Energy Internet， Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

Abstract：

In view of the low voltage and high current working condition in the voltage source inverter of low-voltage electric vehicle， by considering the nonlinear factors such as the dead-time and the turn-on/off delay of power device， especially， the voltage drop across the power device was taken into consideration. After that， the inverter output characteristic equation was established. Based on the output characteristic equation and the reference voltage， the error could be derived， thus it will accurately be compensated under the low voltage and high current working condition. At the same time， accurate current polarity is essential during the nonlinear characteristic compensation. However， the current ripple and the zero current clamp effect exist near the zero of phase current， which will result in inaccurate current polarity detection. So a method of reverse compensation was proposed to make the current pass zero in advance， which avoids the complicated determination and calculation of current polarity near the zero of current， in the meantime， the nonlinear characteristic of VSI was compensated effectively， too. Finally， the accuracy and feasibility of the proposed inverter output characteristic equation and compensation method are proved by simulation and experimental results.

Keywords：low-voltage electric vehicle;voltage source inverter;induction motor;dead-time effect;power device voltage drop;current polarity;zero current clamping effect

0 引 言

48V感应电机驱动系统由于其良好的安全性和经济性成为电动汽车驱动的新选择，但其降低电压等级也带来了较大的工作电流[1]。驱动系统中的电压源逆变器（voltage source inverter，VSI）存在防止上下桥臂直通所加入的死区时间、开关管导通时的压降、反并联续流二极管导通时的压降、开关管自身开通或关断引起的延时等非线性因素，会造成逆变器输出电压及定子电流波形发生畸变，发生转矩波动，在矢量控制系统中还会导致磁链观测误差，电流解耦不彻底等问题[2-3]。因此需要对逆变器非线性因素造成的影响进行补偿。而对于低压电动汽车用逆变器非线性因素的补偿与一般系统相比更需要关注低压大电流工况下的逆变器输出特性，并且电动汽车电机控制系统工作状态变化十分剧烈，因此补偿的实时性要求很高，补偿方案不能过于复杂，同时也希望不增加额外硬件开销，节约成本[4]。

国内外学者对逆变器非线性因素补偿的研究，主要分为两个方面：一是通过计算或其他方式得出补偿非线性因素所需的开关管导通时间，直接将其加入每个开关周期的导通时间中，即基于脉冲的补偿方法[2-3，5-12];二是直接将非线性因素引起的电压误差等效为一个平均电压误差，直接在参考电压上进行补偿，即平均误差电压补偿方法[13-19]。文献[5]提出添加额外的硬件电路实时检测开关管的导通时间，从而进行准确补偿，但是增加了硬件成本。文献[3，6]基于逆变器及电机模型进行在线计算，获得了较好的补偿效果，但是单位时间计算量大，对控制系统要求较高。文献[7-8]提出一种基于屏蔽无效开关管的控制方案，封锁与续流二极管反并联的开关管驱动信号，从而不需要设置死区时间，但是其依赖于对相电流极性的准确观测，在相电流过零阶段则难以保证补偿的正确性。文献[10-12]只考虑了死区时间的影响，没有考虑开关管的非线性因素。文献[2]将开关管的导通压降视为恒定值，而与导通电流无关，该方案在大电流的工况下会导致补偿不准确。文献[13]引入了闭环反馈来消除误差电压，可以获得较好的补偿效果，但是增加了计算量，且需要对PI调节参数进行整定。可以看出现有补偿方法没有综合考虑低压电动汽车用逆变器非线性因素补偿需要特别关注的几个问题，因此，有必要针对适用于低压电动汽车用逆变器非线性因素的补偿方法展开研究。

针对以上问题，本文以48V感应电机驱动系统作为研究对象，分析了非线性因素对低压电动汽车用逆变器的影响，建立了逆变器的输出特性方程，根据输出特性方程与参考量的误差进行补偿。同时针对在相电流过零点附近由于死区的影响出现的零电流箝位现象，通过反向补偿促使电流提前过零，避免了复杂的电流方向判断与计算。最后，将本文提出的补偿方法与传统补偿方法及未补偿时的仿真和实验结果进行对比，证明了所提出的补偿方法适用于低压电动汽车用逆变器非线性因素补偿。

1 逆变器非线性因素影响分析

1.1 非线性因素对输出电压的影响

感应电机驱动系统拓扑如图1所示，定义图1中所示的电流方向为正方向，当电流正向流动时，在死区时间内即桥臂上2个开关管都关闭时段，下桥臂的反并联二极管仍然可以导通续流，此时如果提前关断下桥臂的开关管，由于二极管的续流作用，输出电压波形不会改变;当电流反向流过时同理。

记iA为A相相电流，当iA>0时，在一个开关周期Ts内，A，O间的理想电压信号脉冲持续时间段为t1～t2，记为T*A=t1-t2，如图2（a）所示;由于在上升沿插入死区时间td，上桥臂在t1+td至t2时间段开通，下桥臂在t1至t2+td时间段关断，如图2（b），图2（c）所示;同时考虑到开关管的导通和关断延时ton，toff，vAO在一个开關周期内的脉冲持续时间为t1+td+ton至t2+toff，如图2（d）所示。同理，当iA<0时，vAO的分析方法一致。考虑以上非线性因素，可以得到vAO在一个开关周期内实际等效占空比

TA=T*A+sign（iA）（toff-td-ton）。（1）

式中：当iA>0时，sign（iA）=1;当iA<0时，sign（iA）=-1。

1.2 零电流箝位现象的分析与抑制

零电流箝位现象主要由死区引起，电流在死区时间段穿越零点，而该时间段内上下桥臂均关闭，由于反电动势及直流母线电压的相互作用使得过零后应该续流的二极管无法导通，从而使电流箝位在零点，在整个死区时间段内都无法顺利过零，直到下一个开关周期到来。如果控制器给定的驱动电压不足，电流可能保持在零附近持续多个开关周期，出现电流“台阶”。如图3所示：图3（a），图3（b）为上下桥臂开关信号;图3（c）为A，O间实际电压差;图3（d）中过零点后虚线为理想状态电流趋势，实线为实际情况电流趋势。

电流过零点附近补偿时，由于检测时可能有电流毛刺或其他因素的影响导致电流方向判断不准确，不仅不能抑制零电流箝位现象的影响，还会造成误补偿。针对电流过零点附近的方向的准确判定，在不增加额外硬件的条件下，文献[20]中提出将三相电流滤波后再进行方向判定，但其中引入的无相位偏移二阶带通数字滤波器存在计算量大的问题;文献[9]提出在矢量控制系统中将参考励磁电流与转矩电流变换至abc轴系下，以参考电流方向作为实际电流方向，对于工作在较稳定状态的伺服系统可以采用这种方法，但是对于工作状态变化剧烈的电动汽车则不适用。所以需要一种适用于低压电动汽车用逆变器的零电流箝位抑制方法。

由式（14）可知，电流非零时电流与该相补偿电压总是极性相反的，那么施加与电流相同极性的补偿电压将加速电流过零，如图4所示。即在电流未到达零点之前就默认电流已经过零来进行补偿，补偿电压将使电流加速过零，过零之后电流达到一定值则按电流实际方向进行补偿。由于过零被加速，零电流箝位仅可能在很短时间内出现，对整体波形影响很小，而电流总体的发展方向是完全正确的。因此提前过零补偿使电流方向判定问题得以简单解决。

具体电流方向判定方法如图5所示。确定电流界限Ig与Ic，根据电机实际工作情况及电流噪声容限设定。当电流下降到Ig前可确定电流极性为正，一旦电流低于Ig，则假设电流将继续负向发展，补偿值一直锁定为电流等于Ig时的补偿值相反数，直到电流小于-Ig时结束，对应图5中AB段，随后按实际检测电流补偿。同时为避免-Ig附近电流检测的毛刺干扰，直到电流小于-Ic后才认定电流极性为负，对应图5中C点。反之，当电流上升到-Ig前可确定电流极性为负，一旦电流高于-Ig，则假设电流将继续正向发展，补偿值一直锁定为电流等于-Ig时的补偿值相反数，直到电流大于Ig时结束，对应图5中DE段，随后按实际检测电流补偿，且电流大于Ic后才认定电流极性为正，对应图5中F点。

2 低压电动汽车用逆变器非线性因素影响的综合补偿方法

由式（14）可知，逆变器非线性因素导致的误差电压与每相电流大小和方向、开关管及二极管的导通电阻和截止电压有关，基于平均电压补偿法的思想，可根据逆变器输出特性方程与参考电压得出误差电压从而进行补偿。

通过检测的电流和预设定的开关管及二极管相关参数，可以得到每相的误差电压，经过坐标变换可以将三相静止坐标系下的误差电压变换到两相静止坐标系，即

ΔvαΔvβ=231-12-12032-32ΔvAΔvBΔvC。（17）

将得到的两相静止坐标系下的误差电压直接补偿至SVPWM的参考电压上，即可准确地对输出电压进行补偿。

而在电流过零点附近，由于存在零电流箝位现象，此时的电流极性判定不准确，仍然采用基于逆变器输出特性方程得出误差电压的补偿方法可能会导致误补偿的问题。因此在电流过零点附近采用反向补偿促使电流提前过零的补偿方法，该方法简单易行，能有效抑制零电流箝位现象，并使电流过零时方向判定得以简单解决，对电流噪声不敏感，稳定性好。

综合上面的讨论，可以得出适用于低压电动汽车用逆变器非线性因素的综合补偿方法。假设初始时电流大于Ig，则采用逆变器输出特性方程得出误差电压进行补偿，且当电流大于Ic时认定电流极性为正;当电流小于Ig时，进入电流极性难以确定的范围，此时采用反向补偿，促使电流加速过零;直到电流小于-Ig时认为电流已经顺利过零，恢复正常的补偿，且当电流小于-Ic时认定电流极性为正;在电流的下半周期判定、补偿同理。

带低压电动汽车用逆变器非线性因素补偿的系统控制结构如图6所示，只需要实时反馈检测电流的大小及方向，其余参数离线设定，即可计算出需要补偿的电压。

3 仿真结果与分析

压频控制时逆变器非线性因素影响比矢量控制时大很多，因此在SIMULINK平台上搭建压频控制系统进行逆变器非线性因素补偿仿真，感应电机参数设定如表1所示，逆变器开通、关断时间分别设置为33 ns、72 ns，开关管及二极管导通电阻设置为0.003 9 Ω，截止电压设置为0.43 V，设置电流界限Ig与Ic分别为4 A与8 A。

为了验证所提出补偿方案的有效性，在保证调制频率（15 kHz）不变的条件下，死区时间设置为2 μs，选取3种不同的工况：空载给定电压5 V/5 Hz、负载给定电压5 V/5 Hz、空载给定电压20 V/20 Hz，分别采用文献[2]提出的传统补偿方法（视开关管压降为常值）、本文提出的补偿方法以及未补偿的情况下，观察A相电流仿真波形，如图7、图8、图9所示，并使用SIMULINK中FFT工具模块对电流波形进行分析，得到对应的电流总谐波失真率（total harmonic distortion，THD），如表2所示。

對比图7中各电流波形和对应THD分析可看出，采用传统补偿方法与本文提出的补偿方法均可以在空载给定电压为5 V/5 Hz的条件下对逆变器非线性因素进行有效补偿，两种补偿方法对应的电流THD分别为15.9%与13.7%，补偿的效果相近，因为此时电流较小，传统补偿方法中将开关管与二极管导通压降视为恒定值不会造成较大误差。

在给定电压为5 V/5 Hz的条件下，加上负载（15 N·m），会增大电流，使开关管与二极管导通压降变化，因此本文提出补偿方法较传统的补偿方法有更好的补偿效果，如图8与表2所示，本文所提出的补偿方法可以将电流THD限制在6.0%，而采用传统补偿方法的电流THD达到了10.3%。

在空载给定电压为20 V/20 Hz的条件下，同样导致电流变大，开关管与二极管导通压降也随之变化，在补偿计算中不能再视为恒定值，否则会引起补偿不准确的问题。如图9与表2所示，采用传统补偿方法不能有效地对逆变器非线性因素进行补偿，仅较未补偿时电流THD下降了1.8%。而采用本文提出的方法可以明显改善电流波形，电流THD为4.4%，较未补偿时下降了6.1%，较采用传统补偿方法下降了4.3%，达到理想的补偿效果。

同时可以看到图7（c），图8（c）和图9（c）中电流过零点附近，由于采用本文提出的使电流提前过零的补偿方法，二者均有提前过零的趋势，有效地抑制了零电流箝位现象，并且避免了过零点附近复杂的电流方向判定。

4 实验结果与分析

实验所采用的电机与逆变器参数同仿真中的一致，使用数字信号处理器TMS320-F28035作为系统的控制器，搭建VSI感应电机驱动实验平台如图10所示。其中逆变器采用STH15810-2型MOSFET，参数与同仿真设定，48V感应电机参数也和仿真设定一致。

实验中仍然保持调制频率为15 kHz，死区时间设置为2 μs，设置Ig为4 A，Ic为8 A。在空载5 V/5 Hz和20 V/20 Hz的给定电压下，分别比较未补偿、采用文献[2]提出的传统补偿方法与本文提出补偿方法的A相电流波形与对应的THD值。

通过实验结果可以看出，两种补偿方法均可以对逆变器非线性因素进行有效补偿，本文所提出的方法在大电流的工况下具有更好的补偿效果，并能够在避免复杂过零点极性判断的条件下抑制零电流箝位现象，和仿真时得到的结论一致，证明了本文所提出的补偿方案适用于低压电动汽车用逆变器非线性因素的补偿。

5 结 论

本文分析了低压电动汽车用逆变器非线性因素对输出电压的影响，推导了逆变器的输出特性方程，并且考虑到零电流箝位现象，提出了一种综合补偿方案，进行了仿真与实验验证，通过仿真与实验结果可以发现：与传统的补偿方法相比，该方法考虑了开关管及二极管导通时呈现电阻的性质，建立逆变器的输出特性方程，依据输出特性方程与参考电压的误差进行平均电压补偿，从而在低压大电流的工况下获得了更好的补偿效果;在过零点附近采用反向补偿促使电流加速过零，不仅避免了过零点附近复杂的电流极性判断与计算，还有效地抑制了零电流箝位效应;实现本文提出的补偿方法不用添加任何额外的硬件设备。因此可以认为该补偿方法适用于低压电动汽车用逆变器非线性因素补偿。

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（编辑：刘素菊）

收稿日期： 2019-07-15

基金项目：重庆市基础科学与前沿技术研究资助项目（cstc2016jcyjA1527）

作者简介：刘和平（1957—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电机控制、电动汽车电机优化设计;

董治平（1995—），男，硕士研究生，研究方向为电动汽车电机控制;

邱彬彬（1983—），男，硕士，研究方向为电动汽车电机控制;

游逍遥（1996—），男，硕士研究生，研究方向为功率变换器控制及其稳定性分析;

郭 強（1984—），男，博士，讲师，研究方向为电力电子。

通信作者：董治平