CN102111083A - 一种三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法，包括开关函数模块、逆变桥模块和开关管与续流二极管电流模拟模块，开关函数模块的输入为开关管的门极触发脉冲，开关函数模块分别与逆变桥模块，以及开关管与续流二极管电流模拟模块相连，逆变桥模块输出逆变器各相的电压，开关管与续流二极管电流模拟模块输出逆变器各相的电流，定义并根据逻辑函数Si计算各相输出电压，若三电平逆变器处于过渡状态，则结合相电流ii的极性输出相应的电压值。该装置及其方法可实现实时仿真***中逆变器与电机模型的解耦，建立了带死区效应的开关函数三电平逆变器模型，解决了仿真速度慢、解算不准确的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿真建模装置及其方法，尤其是涉及一种三电平逆变器死区效应的仿真建模装置及其方法。
背景技术
任何固态的电子开关器件都具有一定的固有开通和关断时间。对于确定的开关器件，固有的开通和关断时间是不可控的，这必然引起开关器件输出与输入控制信号的偏移，通常称此为开关死区时间。逆变器同一相上、下桥臂的开关器件工作为互补状态。由于一般开关器件的开通时间小于关断时间，因此如果将互补的控制信号加到同一相上、下桥臂的开关器件的控制极上，那么开关器件将会发生“直通”，其后果非常严重。所以，目前的逆变器***广泛采用时间延迟的控制技术，即将理想的控制信号上升沿延迟一段时间，通常称此为控制死区时间。
死区时间的存在使得逆变器不能完全精确地复现PWM控制信号的理想波形，必然产生更多的谐波，并影响电气传动在低速下的运行性能。因此，对逆变器死区效应进行建模与仿真，观察研究逆变器死区效应，对研究死区效应的补偿控制非常有必要。在目前的仿真技术中，三电平逆变器模块的仿真模拟主要是利用SimPowerSystem模块库中自带的三电平逆变器模块，如图1所示。但是利用SimPowerSystem模块库中自带的三电平逆变器模型在实际仿真中速度并不是很快，在实时仿真中，也会遇到速度慢，或者无法下载的问题，有时甚至出现解算不准确的情况。
而且目前现有的利用MATLAB/Simulink搭建的三电平逆变器模型中未考虑死区效应的存在，没有对死区效应进行相应处理。因此，当脉冲触发出现死区时，逆变器输出仿真结果与真实结果不完全一致，存在一定的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法，利用开关函数搭建三电平逆变器模型及其死区效应，该装置及其方法可实现实时仿真***中逆变器与电机模型的解耦，并考虑了触发脉冲存在死区时对逆变器输出带来的影响，针对死区效应对开关函数进行修正，建立了带死区效应的开关函数三电平逆变器模型，解决了仿真速度慢、解算不准确的技术问题。
本发明具体提供了一种三电平逆变器死区效应仿真建模装置的具体实施方式，一种三电平逆变器死区效应仿真建模装置，包括开关函数模块、逆变桥模块和开关管与续流二极管电流模拟模块，开关函数模块的输入为开关管的门极触发脉冲，开关函数模块分别与逆变桥模块，以及开关管与续流二极管电流模拟模块相连，逆变桥模块输出逆变器各相的电压，开关管与续流二极管电流模拟模块输出逆变器各相的电流，其中开关函数模块及逆变桥模块的输入输出关系由以下函数定义：
在三电平逆变器处于非过渡状态时，考虑死区效应的电压逻辑函数为SFUi＝Si，
(i＝a，b，c)
其中，Si为定义逻辑函数，i＝a，b，c，为逆变器的三相，
分别表示vij管的通断，j＝1，2，3，4；
则各相的电压输出为：
UAO＝Sa×Ud/2，UBO＝Sb×Ud/2，UCO＝Sc×Ud/2；
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、1、0、0，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为0；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为1/2Ud；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、0、1、0，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为-1/2Ud；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为0。
作为本发明一种三电平逆变器死区效应仿真建模装置进一步的实施方式，开关管与续流二极管电流模拟模块的输入输出关系由以下函数定义：
在三电平逆变器处于非过渡状态时，考虑死区效应的电流逻辑函数为SFi＝S，
a.当S＝1时，即上桥臂两个开关器件Vi1，Vi2均导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经开关器件Vi1，Vi2，iVi1，i2＝ii，iVDi1，i2＝0；
相电流ii＜0，电流流经续流二极管VDi1，VDi2，iVi1，i2＝0，iVDi1，i2＝-ii；
b.当S＝0时，即上下桥臂各有一个开关器件(Vi2，Vi3)导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经开关器件Vi2和钳位二极管VD1，iVi2＝ii，iVD1＝ii；
相电流ii＜0，电流流经开关器件Vi3和钳位二极管VD4，iVi3＝-ii，iVD4＝-ii；
c.当S＝-1时，即下桥臂两个开关器件(Vi3，Vi4)导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经续流二极管VDi3，VDi4，iVi3，i4＝0，iVDi3，i4＝ii；
相电流ii＜0，电流流经开关器件Vi3，Vi4，iVi3，i4＝-ii，iVDi1，i2＝0；
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、1、0、0，
当相电流ii＜0时，电流流经续流二极管VDi1，VDi2，iVi1，i2＝0，iVDi1，i2＝-ii；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、0、1、0，
当相电流ii≥0时，电流流经续流二极管VDi3，VDi4，iVi3，i4＝0，iVDi3，i4＝ii。
本发明还提供了一种三电平逆变器死区效应仿真建模方法的具体实施方式，包括开关函数与逆变桥模拟过程，开关管与续流二极管电流模拟过程，
开关函数与逆变桥模拟过程包括以下步骤：
定义逻辑函数Si，并根据以下公式计算Si的值，
(i＝a，b，c)
其中，i＝a，b，c，为逆变器的三相，
分别表示vij管的通断，j＝1，2，3，4；
根据任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲判断三电平逆变器是否处于过渡状态，如果处于过渡状态，则结合相电流ii的极性输出相应的电压值；
若三电平逆变器未处于过渡状态，则根据Si结合以下公式的值计算各相输出电压，
UAO＝Sa×Ud/2，UBO＝Sb×Ud/2，UCO＝Sc×Ud/2。
作为本发明一种三电平逆变器死区效应仿真建模方法进一步的实施方式，三电平逆变器处于过渡状态时各相的电压输出关系为：
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、1、0、0，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为0；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为1/2Ud；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、0、1、0，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为-1/2Ud；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为0。
作为本发明一种三电平逆变器死区效应仿真建模方法进一步的实施方式，开关管与续流二极管电流模拟过程包括以下步骤：
a.当S＝1时，即上桥臂两个开关器件Vi1，Vi2均导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经开关器件Vi1，Vi2，iVi1，i2＝ii，iVDi1，i2＝0；
相电流ii＜0，电流流经续流二极管VDi1，VDi2，iVi1，i2＝0，iVDi1，i2＝-ii；
b.当S＝0时，即上下桥臂各有一个开关器件(Vi2，Vi3)导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经开关器件Vi2和钳位二极管VD1，iVi2＝ii，iVD1＝ii；
相电流ii＜0，电流流经开关器件Vi3和钳位二极管VD4，iVi3＝-ii，iVD4＝-ii；
c.当S＝-1时，即下桥臂两个开关器件(Vi3，Vi4)导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经续流二极管VDi3，VDi4，iVi3，i4＝0，iVDi3，i4＝ii；
相电流ii＜0，电流流经开关器件Vi3，Vi4，iVi3，i4＝-ii，iVDi1，i2＝0；
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、1、0、0，
当相电流ii＜0时，电流流经续流二极管VDi1，VDi2，iVi1，i2＝0，iVDi1，i2＝-ii；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、0、1、0，
当相电流ii≥0时，电流流经续流二极管VDi3，VDi4，iVi3，i4＝0，iVDi3，i4＝ii。
通过实施本发明一种三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法的具体实施方式，利用开关函数搭建三电平逆变器模型及其死区效应，该模型可实现实时仿真***中逆变器与电机模型的解耦，并考虑了触发脉冲存在死区时对逆变器输出带来的影响，针对死区效应对开关函数进行修正，建立了带死区效应的开关函数三电平逆变器模型，并通过仿真验证模型的正确性。解决了现有技术存在的仿真速度慢，解算不准确，当脉冲触发出现死区时，逆变器输出仿真结果与真实结果不完全一致，存在一定的误差的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术基于SimPowerSystem模块库中自带的三电平逆变器仿真模块示意图；
图2是本发明仿真建模装置及其方法所应用的三电平逆变电路电路结构原理图；
图3是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中的开关函数simulink结构框图；
图4是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中的逆变桥simulink结构框图；
图5是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中的开关管、续流二极管电流simulink结构框图；
图6是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中的逆变器模型顶层simulink结构框图；
图7是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中的V11和V13管间切换的死区影响情况波形图；
图8是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中的V12和V14管间切换的死区影响情况波形图；
图9是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中的考虑死区的开关函数的simulink框图模型；
图10是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中输入不带死区的PWM波形时三电平逆变器输出A相电压的波形图；
图11是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中输入不带死区的PWM波形时三电平逆变器输出三相电压的波形图；
图12是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中输入不带死区的PWM波形时三电平逆变器A相晶闸管电流的波形图；
图13是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中输入不带死区的PWM波形时三电平逆变器A相二极管电流的波形图；
图14是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中输入带死区的PWM波形时三电平逆变器输出三相电压的对比波形图；
图15是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中输入带死区的PWM波形时三电平逆变器A相脉冲，相电压及相电流的对比波形图一；
图16是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中输入带死区的PWM波形时三电平逆变器A相脉冲，相电压及相电流的对比波形图二；
图17是本发明三电平逆变器死区效应仿真建模装置及其方法一种具体实施方式中输入带死区的PWM波形时三电平逆变器A相晶闸管电流的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
作为本发明一种三电平逆变器死区效应仿真建模装置的具体实施方式，本发明所应用的三电平逆变电路的电路结构原理图及其工作原理如图2所示。该电路的每个桥臂由两个全控器件串联构成，两个全控器件都反并联了二极管，两个串联器件的中点通过钳位二极管和直流侧电容的中点相连。例如：A相的上下桥臂分别通过钳位二极管VD1和VD4与O′点相连。器件V11和V14是主开关器件(类似于两电平逆变器中开关器件)；V12和V13是辅助器件，与钳位二极管VD1和VD4一起用于将输出电位钳制在中点。
由此可知，三电平逆变器每相的输出电压有+Ud/2，0和-Ud/2三种电平，线电压则有+Ud，+Ud/2，0，-Ud/2和-Ud五种电平。忽略中点电位的波动，可以看到每个开关器件需要承受的电压为Ud/2，当钳位二极管VD1和VD4导通，开关器件两端电压被钳制到+Ud/2。例如：当下桥臂两个开关器件导通时，直流母线的全部电压Ud都加到了上桥臂两个串联连接的开关器件上。换句话说，上桥臂的两个开关器件静态的各自均担了Ud/2电压。而且，在任一次开关过程中，都可以看到加到串联连接器件两端的电压变化只有Ud/2，这使得器件的串联连接变得很容易，而不必担心超过Ud/2的额定电压。
本发明具体实施方式所描述的一种三电平逆变器死区效应仿真建模装置，包括开关函数模块1、逆变桥模块2和开关管与续流二极管电流模拟模块3，开关函数模块1的输入为开关管的门极触发脉冲，开关函数模块1分别与逆变桥模块2，以及开关管与续流二极管电流模拟模块3相连，逆变桥模块2输出逆变器各相的电压，开关管与续流二极管电流模拟模块3输出逆变器各相的电流。下面分模块对本发明的具体实施方式详细描述如下。
1、三电平逆变器开关函数及逆变桥模块
三电平逆变器每一相有下列三种状态：
状态P：上桥臂开关器件导通，输出电压+Ud/2；
状态O：辅助开关器件导通，输出电压0；
状态N：下桥臂开关器件导通，输出电压-Ud/2。
开关函数模块1及逆变桥模块2的输入输出关系由以下函数定义：
则定义一个逻辑函数Si(i＝a，b，c，为三电平逆变器的三相)，在非过渡状态下，考虑死区效应的电压逻辑函数SFUi＝Si，则：
则各相的电压输出为：
UAO＝Sa×Ud/2，UBO＝Sb×Ud/2，UCO＝Sc×Ud/2；
三电平逆变器要求主管Vi1和Vi4不能同时导通，并且Vi1和Vi3、Vi2和Vi4的控制脉冲是互反的。因此可以得出以下结论：
(i＝a，b，c)
其中，Si为定义逻辑函数，i＝a，b，c，为逆变器的三相，分别表示vij管的通断，j＝1，2，3，4。由此可以根据各个开关器件的导通情况计算出各相输出电压。开关函数及逆变桥的simulink框图如图3和图4所示。
考虑到三电平逆变器的死区效应，为防止逆变器桥臂直通而造成器件损坏，必须在同一桥臂互补的信号中加入死区。在死区时间内，根据电流方向不同，输出电压状态也不同，造成期望输出的PWM波前沿或后沿叠加或死区宽度减小，输出电压波形变差，死区时间占开关周期比例越大，输出波形越差。
三电平逆变器每个桥臂存在两种死区状态，一种为S＝1和S＝0两种开关状态切换的过渡状态(0、1、0、0)，另一种为S＝0和S＝-1两种开关状态切换的过渡状态(0、0、1、0)。具体以A相为例，在V11和V13管间切换的死区时间对输出的影响如下图7所示，在V12和V14管间切换的死区时间对输出的影响如下图8所示。
由图7和图8的分析可知，由于死区效应所引起的电压误差与死区时间和开关时间有关，并且其正、负方向只与负载电流的极性有关。
逆变器模型必须真实的反映上面的死区效应，从而要对上述的开关函数模型进行修正补偿。以A相为例，分析输入带死区的触发脉冲时，逆变器的电压输出波形。当逆变器触发脉冲为带死区的PWM波形，如图7和图8所示。若逆变器不考虑死区效应，仍按照上述方法计算开关函数，即：
Sa＝SV11×SV12-SV13×SV14，再计算得逆变器输出电压，UAO＝Sa×Ud/2；
则过渡状态一(0、1、0、0)，Sa＝SV11×SV12-SV13×SV14＝0×1-0×0＝0，逆变器输出电压UAO＝0。同理，过渡状态二(0、0、1、0)，Sa＝SV11×SV12-SV13×SV14＝0×0-1×0＝0，逆变器输出电压UAO＝0。
由图7和图8可见，上述计算方法计算的结果与实际电压波形并不一致，存在1/2Ud的误差。因此，要得到正确的电压输出，并不能按照以上方法计算开关函数，而应根据电流的方向分析此时刻逆变器的情况，即应结合电流方向分析计算开关函数。
根据图7和图8分析带死区的逆变器电压波形与开关管的关系。
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为(0、1、0、0)，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为0；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为1/2Ud；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为(0、0、1、0)，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为-1/2Ud；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为0。
由此，根据以上关于死区效应对逆变器开关函数的影响分析，结合之前未考虑死区效应的逆变器开关函数的建模方法，在此基础上计算开关函数时加入两个过渡过程的考虑，根据电流方向进行判断计算，分析出考虑死区效应的开关函数的计算方法。由此可建立考虑死区的开关函数simulink框图模型如图9所示。
然后将该开关函数输出引入逆变桥及各电流的simulink模块，即可得出整个逆变器的simulink模块框图，结构同不带死区的三电平逆变器相同。
2、三电平逆变器电流simulink框图模型
电流情况分析：以A相为例。
在非过渡状态下，考虑死区效应的电流逻辑函数SFi＝S，则：
a.当S＝1时，即上桥臂两个开关器件V11，V12均导通的情况：
相电流ia≥0，电流流经开关器件V11，V12，iV11，12＝ia，iVD11，12＝0；
相电流ia＜0，电流流经续流二极管VD11，VD12，iV11，12＝0，iVD11，12＝-ia；
b.当S＝0时，即上下桥臂各有一个开关器件(V12，V13)导通的情况：
相电流ia≥0，电流流经开关器件V12和钳位二极管VD1，iV12＝ia，iVD1＝ia；
相电流ia＜0，电流流经开关器件V13和钳位二极管VD4，iV13＝-ia，iVD4＝-ia；
c.当S＝-1时，即下桥臂两个开关器件(V13，V14)导通的情况：
相电流ia≥0，电流流经续流二极管VD13，VD14，iV13，14＝0，iVD13，14＝ia；
相电流ia＜0，电流流经开关器件V13，V14，iV13，14＝-ia，iVD11，12＝0。
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、1、0、0，
当相电流ii＜0时，电流流经续流二极管VDi1，VDi2，iVi1，i2＝0，iVDi1，i2＝-ii；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、0、1、0，
当相电流ii≥0时，电流流经续流二极管VDi3，VDi4，iVi3，i4＝0，iVDi3，i4＝ii。
根据以上分析建立各元件的电流模型如图5所示。
将以上部分进行组合即可得到逆变器模型顶层simulink框图，如图6所示。
一种三电平逆变器死区效应仿真建模方法的具体实施方式，包括开关函数与逆变桥模拟过程，开关管与续流二极管电流模拟过程，
开关函数与逆变桥模拟过程包括以下步骤：
定义逻辑函数Si，并根据以下公式计算Si的值，
(i＝a，b，c)
其中，i＝a，b，c，为逆变器的三相，分别表示vij管的通断，j＝1，2，3，4；
根据任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲判断三电平逆变器是否处于过渡状态，如果处于过渡状态，则结合相电流ii的极性输出相应的电压值；
若三电平逆变器未处于过渡状态，则根据Si结合以下公式的值计算各相输出电压，
UAO＝Sa×Ud/2，UBO＝Sb×Ud/2，UCO＝Sc×Ud/2。
其中，三电平逆变器处于过渡状态时各相的电压输出关系为：
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、1、0、0，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为0；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为1/2Ud；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、0、1、0，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为-1/2Ud；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为0。
在非过渡状态下，考虑死区效应的电流逻辑函数SFi＝S，开关管与续流二极管电流模拟过程包括以下步骤：
a.当S＝1时，即上桥臂两个开关器件Vi1，Vi2均导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经开关器件Vi1，Vi2，iVi1，i2＝ii，iVDi1，i2＝0；
相电流ii＜0，电流流经续流二极管VDi1，VDi2，iVi1，i2＝0，iVDi1，i2＝-ii；
b.当S＝0时，即上下桥臂各有一个开关器件(Vi2，Vi3)导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经开关器件Vi2和钳位二极管VD1，iVi2＝ii，iVD1＝ii；
相电流ii＜0，电流流经开关器件Vi3和钳位二极管VD4，iVi3＝-ii，iVD4＝-ii；
c.当S＝-1时，即下桥臂两个开关器件(Vi3，Vi4)导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经续流二极管VDi3，VDi4，iVi3，i4＝0，iVDi3，i4＝ii；
相电流ii＜0，电流流经开关器件Vi3，Vi4，iVi3，i4＝-ii，iVDi1，i2＝0。
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、1、0、0，
当相电流ii＜0时，电流流经续流二极管VDi1，VDi2，iVi1，i2＝0，iVDi1，i2＝-ii；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、0、1、0，
当相电流ii≥0时，电流流经续流二极管VDi3，VDi4，iVi3，i4＝0，iVDi3，i4＝ii。
3、仿真结果
用MATLAB离线仿真验证该带死区效应的三电平逆变器模型，中间电压输入常量，逆变器负载为阻感性负载，逆变器触发脉冲使用simulink里的脉冲发生器发出。
(1)输入不带死区的PWM波形时逆变器仿真结果
对比考虑死区效应和未考虑死区效应的三电平逆变器仿真波形。图10-图13为输入不带死区的PWM波形时的两个逆变器的仿真结果。
图10为输入不带死区的PWM波形时三电平逆变器输出的A相电压。
图中，由上至下依次为，带死区效应的三电平逆变器输出A相电压，不带死区效应的三电平逆变器输出A相电压，以及以上两者的差。由图可见，输入不带死区的PWM波形时，考虑死区效应的三电平逆变器和不考虑死区效应的三电平逆变器输出波形差值为0，即完全相同。
图11为输入不带死区的PWM波形时逆变器输出三相电压波形。
图12为输入不带死区的PWM波形时逆变器A相晶闸管输出的电流波形。由上至下分别是V11-V14管的电流。
图13为输入不带死区的PWM波形时逆变器A相续流二极管输出的电流波形。由上至下分别是VD11-VD14管的电流。
(2)输入带死区的PWM波形时逆变器仿真结果
图14至图16为输入带死区的PWM波形时，考虑死区效应的三电平逆变器和不考虑死区效应的三电平逆变器的对比波形，死区为120e-4秒。黄色的为带死区的三电平逆变器输出波形，红色为不带死区的三电平逆变器输出波形。图14为输入带死区的PWM波形时，三电平逆变器输出的三相电压对比波形。
图15和图16为输入带死区的PWM波形时，三电平逆变器的A相电流、触发脉冲和相电压。从上到下依次为，为A相电流、A相脉冲(图15中粗实线为V11触发脉冲，细实线为V13触发脉冲，图16中粗实线为V12触发脉冲，细实线为V14触发脉冲)、A相电压对比波形。由图15可见，脉冲死区为过渡状态一(0、1、0、0)时，当ia＞0时，A相电压波形为0，当ia＜0时，电压为1/2Ud。由图16可见，脉冲死区为过渡状态二(0、0、1、0)时，当ia＞0时，电压输出为-1/2Ud；当ia＜0时，电压输出为0。仿真波形与理论分析的带死区逆变器实际电压波形一致，由此验证了建模和仿真的正确性。
图17为输入带死区的PWM波形时，三电平逆变器输出的A相晶闸管电流对比波形，由上至下分别为V11-V14管的电流。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种三电平逆变器死区效应仿真建模装置，其特征在于，包括开关函数模块(1)、逆变桥模块(2)和开关管与续流二极管电流模拟模块(3)，开关函数模块(1)的输入为开关管的门极触发脉冲，开关函数模块(1)分别与逆变桥模块(2)，以及开关管与续流二极管电流模拟模块(3)相连，逆变桥模块(2)输出逆变器各相的电压，开关管与续流二极管电流模拟模块(3)输出逆变器各相的电流，其中开关函数模块(1)及逆变桥模块(2)的输入输出关系由以下函数定义：
在三电平逆变器处于非过渡状态时，考虑死区效应的电压逻辑函数为SFUi＝Si，
(i＝a，b，c)
其中，Si为定义逻辑函数，i＝a，b，c，为逆变器的三相，
分别表示vij管的通断，j＝1，2，3，4；
则各相的电压输出为：
UAO＝Sa×Ud/2，UBO＝Sb×Ud/2，UCO＝Sc×Ud/2；
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、1、0、0，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为0；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为1/2Ud；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、0、1、0，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为-1/2Ud；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为0。
2.根据权利要求1所述的一种三电平逆变器死区效应仿真建模装置，其特征在于：所述开关管与续流二极管电流模拟模块(3)的输入输出关系由以下函数定义：
在三电平逆变器处于非过渡状态时，考虑死区效应的电流逻辑函数为SFi＝S，
a.当S＝1时，即上桥臂两个开关器件Vi1，Vi2均导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经开关器件Vi1，Vi2，iVi1，i2＝ii，iVDi1，i2＝0；
相电流ii＜0，电流流经续流二极管VDi1，VDi2，iVi1，i2＝0，iVDi1，i2＝-ii；
b.当S＝0时，即上下桥臂各有一个开关器件(Vi2，Vi3)导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经开关器件Vi2和钳位二极管VD1，iVi2＝ii，iVD1＝ii；
相电流ii＜0，电流流经开关器件Vi3和钳位二极管VD4，iVi3＝-ii，iVD4＝-ii；
c.当S＝-1时，即下桥臂两个开关器件(Vi3，Vi4)导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经续流二极管VDi3，VDi4，iVi3，i4＝0，iVDi3，i4＝ii；
相电流ii＜0，电流流经开关器件Vi3，Vi4，iVi3，i4＝-ii，iVDi1，i2＝0；
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、1、0、0，
当相电流ii＜0时，电流流经续流二极管VDi1，VDi2，iVi1，i2＝0，iVDi1，i2＝-ii；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、0、1、0，
当相电流ii≥0时，电流流经续流二极管VDi3，VDi4，iVi3，i4＝0，iVDi3，i4＝ii。
3.一种根据权利要求1或2所述的三电平逆变器死区效应仿真建模装置进行仿真建模的方法，其特征在于，包括开关函数与逆变桥模拟过程，开关管与续流二极管电流模拟过程，
开关函数与逆变桥模拟过程包括以下步骤：
定义逻辑函数Si，并根据以下公式计算Si的值，
(i＝a，b，c)
其中，i＝a，b，c，为逆变器的三相，
分别表示vij管的通断，j＝1，2，3，4；
根据任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲判断三电平逆变器是否处于过渡状态，如果处于过渡状态，则结合相电流ii的极性输出相应的电压值；
若三电平逆变器未处于过渡状态，则根据Si结合以下公式的值计算各相输出电压，
UAO＝Sa×Ud/2，UBO＝Sb×Ud/2，UCO＝Sc×Ud/2。
4.根据权利要求3所述的一种三电平逆变器死区效应仿真建模方法，其特征在于：所述三电平逆变器处于过渡状态时各相的电压输出关系为：
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、1、0、0，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为0；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为1/2Ud；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、0、1、0，
当相电流ii＞0时，该相的电压输出为-1/2Ud；
当相电流ii＜0时，该相的电压输出为0。
5.根据权利要求4所述的一种三电平逆变器死区效应仿真建模方法，其特征在于：所述开关管与续流二极管电流模拟过程包括以下步骤：
a.当S＝1时，即上桥臂两个开关器件Vi1，Vi2均导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经开关器件Vi1，Vi2，iVi1，i2＝ii，iVDi1，i2＝0；
相电流ii＜0，电流流经续流二极管VDi1，VDi2，iVi1，i2＝0，iVDi1，i2＝-ii；
b.当S＝0时，即上下桥臂各有一个开关器件(Vi2，Vi3)导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经开关器件Vi2和钳位二极管VD1，iVi2＝ii，iVD1＝ii；
相电流ii＜0，电流流经开关器件Vi3和钳位二极管VD4，iVi3＝-ii，iVD4＝-ii；
c.当S＝-1时，即下桥臂两个开关器件(Vi3，Vi4)导通的情况：
相电流ii≥0，电流流经续流二极管VDi3，VDi4，iVi3，i4＝0，iVDi3，i4＝ii；
相电流ii＜0，电流流经开关器件Vi3，Vi4，iVi3，i4＝-ii，iVDi1，i2＝0；
当三电平逆变器处于过渡状态一，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、1、0、0，
当相电流ii＜0时，电流流经续流二极管VDi1，VDi2，iVi1，i2＝0，iVDi1，i2＝-ii；
当三电平逆变器处于过渡状态二，即任一相从上至下的四个开关管门极触发脉冲依次为0、0、1、0，
当相电流ii≥0时，电流流经续流二极管VDi3，VDi4，iVi3，i4＝0，iVDi3，i4＝ii。
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