四桥臂变换器驱动开绕组永磁同步电机系统的死区效应分析与抑制
江苏省新能源发电与电能变换重点实验室（南京航空航天大学）的研究人员魏佳丹、薛嘉成等，在2018年第17期《电工技术学报》上撰文，针对传统双逆变器驱动开绕组永磁同步电机系统的成本和复杂性高的问题，提出一种具有少开关特性的低成本四桥臂变换器驱动开绕组永磁电机的新型拓扑结构。
在四桥臂变换器输出有效电压矢量和SVPWM策略分析的基础上，分析了系统中复用桥臂产生的非对称死区电压分布规律及其对相绕组电流畸变的影响，基于零序回路独立控制的方法设计了具有平均死区电压补偿的谐波电流抑制策略，将死区补偿后的开绕组永磁电机绕组电流总谐波含量抑制至5%左右，使得低成本的四桥臂变换器具有类似传统双逆变器驱动开绕组电机系统的输出特性，最后通过仿真和实验验证了所提死区分析和抑制策略的有效性。
永磁电机具有功率密度大、结构简单、效率高、可靠性好等优点，在以电动汽车[1]、高速机床[2]为代表的新型电力牵引系统中具有广阔的应用前景。然而传统星形绕组联结的永磁同步电机调速系统中逆变器的输出电压受到电机绕组线电压的限定，并且永磁体的磁场调节困难，弱磁升速范围受限，难以实现宽转速范围运行[3]。
在逆变器前级增加一级升压DC-DC变换器虽然能够提高电机的转速[4]，但增加的DC-DC变换器使得系统的成本和控制复杂程度大大增加，并且降低了系统的运行效率，通常仅适用于小功率应用场合。在永磁电机结构优化设计方面有学者提出多种混合励磁方案[5-7]，增加励磁绕组辅助永磁磁场的调节，虽然可以实现永磁电机的宽转速范围调节，但辅助的励磁绕组对电机的效率存在影响，降低了永磁同步电机的高功率密度和高效率的优点。
因此，有学者提出将永磁同步电机绕组的中性点打开，形成开绕组结构并采用双逆变器驱动电机，可以有效拓宽电机的转速范围，并且具有优良的驱动输出性能[8]。然而相比较传统单逆变器电机驱动系统，双逆变器拓扑明显增加了系统成本和控制的复杂程度，并且共直流母线的结构形式为系统中零序电流提供了流通回路，还存在着增加电机损耗和转矩脉动的问题。
因此，文献[9]采用中间电压矢量，使得双变换器输出共模电压为零，不产生零序电流，开绕组电机等效工作于三角形绕组联结方式，提高了直流电源电压利用率。但由于永磁电机气隙磁场的非理想正弦化，导致绕组中存在固有的反电动势3次谐波，使得三角形联结的绕组内部产生不可控的零序环流，为此文献[10]增加了独立的零序控制回路，以实现对反电动势谐波产生的零序电流的抑制功能。但采用双变换器实现等效绕组三角形联结的电机驱动系统，相比较传统的单变换器驱动三角形绕组联结的电机系统具有体积、重量和成本大幅增加的问题。
上述零序电流抑制策略都未考虑到变换器死区效应的影响，实际变换器桥臂的固有死区不仅会降低输出电压波形的基波幅值而且会使输出电压波形畸变，导致电机三相电流中产生其他高次谐波电流，进一步恶化电机的输出特性，所以需要进行死区补偿。
根据补偿电压的获得方式可分为两大类：第一类是基于误差电压观测器估算所需补偿电压[11-13]，采用误差电压观测器来获得死区电压，该种方法无需检测电流极性，但观测器依赖电机的实际参数，参数不匹配会导致补偿量有较大误差；第二类是基于检测桥臂电流的流向结合理论分析得到死区电压补偿量[14-16]，将死区效应引起的逆变器输出电压偏差等效为一个平均电压误差，将死区补偿电压叠加到各相绕组中，但需要检测电流极性。
因此，本文在开绕组结构和电机绕组三角形联结方式的基础上，提出一种具有四相桥臂的紧凑型低成本变换器拓扑结构，并给出相应的SVPWM策略。
针对四桥臂变换器中各相绕组的不对称结构，分析死区效应导致的相电流畸变规律，设计零序回路的准PR控制器消除电机绕组反电动势3次谐波引入的电流谐波，以此为基础分析四桥臂变换器不对称的死区效应，并进行补偿控制策略的研究，提出一种集合准PR控制器和平均误差死区电压补偿相结合的绕组谐波电流抑制策略。最后通过仿真和实验的对比研究，验证了该控制策略能够有效提升该低成本开绕组电机系统的驱动输出性能。
图16 四桥臂变换器驱动开绕组永磁同步电机平台
本文提出了一种新型四桥臂变换器驱动开绕组永磁同步电机系统的拓扑结构，等效实现永磁同步电机的绕组三角形联结，以拓宽系统的转速范围，相比双逆变器驱动的开绕组电机系统，该拓扑具有体积重量小、成本和控制复杂性低的优点。
本文着重分析了非对称结构四桥臂变换器中的死区电压分布规律及其对电机相电流谐波的影响，并结合开绕组电机驱动系统中零序电流控制方法对死区补偿前后的电机电流谐波特性进行对比分析，通过仿真和实验得到如下结论：
1）四桥臂变换器的死区效应对各相电机绕组的电流谐波影响不同，具有非对称特性，在开绕组电机中除了产生3次电流谐波外，还有其他5次、7次等低次谐波分量，导致各相绕组电流存在非对称的畸变现象。
2）在四桥臂变换器驱动开绕组电机系统中，增加零序回路的控制方法仅能抑制开绕组电机中的3次谐波电流，电流谐波含量仍然有6%～8%，需要将死区补偿和零序回路控制方法相结合，才能够将开绕组电机的电流谐波降至5%左右，满足永磁同步电机的高性能驱动输出要求。
3）具有低成本特性的四桥臂变换器驱动开绕组永磁电机的拓扑结构能够为低成本、宽转速范围、高性能驱动应用场合提供解决方案，并且该减少开关的拓扑结构还可以作为传统双逆变器驱动开绕组电机的双桥臂开关故障后的故障运行方案。