一種容錯型逆變器的設計

徐 鵬，施火泉，劉會超

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫214122）

一種容錯型逆變器的設計

徐 鵬，施火泉，劉會超

（江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫214122）

針對變頻器功率開關管容易發生單相短路及開路故障的現狀，采用意法半導體公司的STM32F103VBT6設計了一種容錯型逆變器。通過對實驗平臺的測試得出變頻器在發生故障以后，能夠在三相四開關SVPWM狀態下正常工作，增加了變頻驅動系統的可靠性。

逆變器；容錯；三相四開關PWM算法

電壓源PWM逆變器[1]作為功率變換設備性能及其優良，利用其供電的電機已經是工業自動化中最常見的設備[2-3]。由于工況復雜，變頻器會發生各種故障。最容易發生的是功率開關管的開路和短路[4-7]。功率器件故障會增加其他元器件的電流應力，若長時間無人維護甚至造成二次損壞，嚴重時造成整個系統癱瘓[8-11]。由于電壓源逆變器在逆變前端直流側采用兩個較大的電解電容串聯來增加電容的耐壓和進行平波。只要利用雙向晶閘管連接串聯電容的中點，就能和剩余兩相橋臂構成新的三相四開關逆變電路[11-15]。

1 總體設計

容錯系統如圖1所示，利用電流檢測電路采集電機的相電流值，同時由光電編碼器采集轉子速度、位置信號。傳感器輸出信號送入STM32構成閉環控制。通過檢測電流采樣值的正常與故障之間的差值，來投切雙向晶閘管進行容錯。直流母線檢測電路檢測到的母線電壓，一方面用于SVPWM計算，另一方面用于過壓保護。

圖1 系統總體結構圖

2 驅動電路設計

MOSFET驅動電路設計非常重要，驅動電路能夠將STM32的低電壓控制信號轉換為MOSFET管所需的驅動信號。功率開關管的開關特性，直接影響整個系統的優劣。雖然MOSFET門極驅動電壓越高可以使其通態阻抗變小，但是過高的門極驅動電壓會使MOSFET的開通關斷時間變長，增加開關損耗。針對以上情況往往對MOSFET的驅動電路提出快速上升、下降的驅動脈沖；較小的輸出電阻；足夠的幅值；良好的電氣隔離等一系列要求。

IR2110是由IR公司推出的MOSFET的集成驅動器電路，具有柵極驅動、高壓、高速單片式等卓越的特點，一片IR2110可以驅動一相橋臂。IR2110通過自舉電容為高端橋臂產生懸浮的驅動電源，這樣高低端橋臂共同使用一個外接的驅動電源，極大簡化了電源電路。當柵極驅動電壓過低時，IR2110內置的欠壓鎖定功能強制輸出低電平，用于電機過流保護等場合。

圖2 IR2110驅動電路

IR2110驅動電路如圖2所示，變頻器總共只需要3片IR2110進行驅動。D33、C81分別為自舉電容與快速二極管。當橋臂上端MOSFET的源極和下端MOSFET的漏極相連時，假設此時自舉電容C81已經充電完畢擁有足夠電壓，當 C+高電平時，上端MOSFET導通而下端MOSFET關閉。自舉電容C81的電壓加到橋臂上端MOSFET的柵極和源極之間。自舉電容C81通過IR2110與上端MOSFET的柵極構成充電回路。當C+為低電平時，由于VS通過下端的MOSFET接地，自舉電容由二極管D33進行充電，為其補充能量如此循環。

3 電流檢測與保護電路

在電機閉環驅動系統中，由于采用電流環控制其轉矩，使轉矩變化能得到快速響應。因此需要對電流進行檢測，在PWM功率電路中，電流檢測的方式主要為以下兩種：

1）對功率橋臂進行電流采樣。利用采樣電阻直接采集MOSFET橋臂的相電流值，或者利用電流傳感器來進行橋臂相電流采集。

2）對母線電流采集。采集三相電流時需要結合一定的算法還原出各相的電流，以進行電流閉環控制。

由于采用直流母線取樣的方式，需要利用算法對每相電流進行重構。由于故障前后算法不同，使這種方法在三相四開關系統內十分不便。選用對功率橋臂直接進行電流采樣的方案簡潔可行。若利用下橋臂串聯電阻來進行來進行電流采樣，可以減小設計成本的同時有利于保護電路的搭建。但是通過下橋臂采樣的電流信號由于受非線性元件的影響，會產生一定畸變。為了避免這種畸變，常常利用兩相較大的采樣值合成最小一相采樣值。由于功率變換器發生故障時，無法通過采樣電阻檢測故障相電流。所以下橋臂串聯電阻采樣的方式也不適用。本系統直接利用電流傳感器對橋臂相電流進行采樣。ACS712內部集成精密的霍爾傳感器電路，輸出為與檢測交流電成比例的電壓。其本身具有集成芯片的輸出靈敏度比較高、絕緣性好等特點。而且因為芯片內阻為mΩ級，所以芯片的功率損耗也比較小。ACS712可以在高達5 A的過電流條件下運行。

圖3 ACS712電流測量圖

ACS712運行穩定，隨著溫度的變化（-40～+150℃）基本上不影響器件精度。輸出電壓Uout和檢測電流IP的關系可以寫成如下形式：

當芯片的5（VCC）接上5 V電壓，流過器件的電流為0 A時，輸出電壓并不是0 V而是2.5 V，故此在計算的時候需要注意。而這一特性剛好滿足了交流電流的變化。因此該器件能夠測量交流電流。為了能使芯片引腳能夠承受系統最大電流，特此將芯片的 1、2（IP+）腳短接在一起，3、4（IP-）腳短接在一起，短接后連接到測試口，測試電流時只需將P9串聯到被測電路中即可。給芯片8腳（GND）接地和5腳（VCC）供電上5 V電壓，在7腳接上一個1 nF電容器就可增加頻帶寬度和抗干擾能力。輸出的電壓經過電阻分壓后，由運放構成的電壓跟隨器送入STM32進行計算。

4 電壓檢測和保護電路

SVPWM需要用到直流母線的采樣值，計算每個基本矢量的占空比。過、欠壓保護同樣需要用到母線電壓。當電機制動時，電機給定轉速將大于實際轉速，電機處于發電機狀態。電機將能量通過續流二極管饋能給直流側，直流母線電壓升高，直流母線電壓升高將會損壞功率開關管。直流母線電壓檢測電路采用電阻分壓檢測的方法。電阻R164上的電壓為分壓后的檢測信號，經過電阻R213和C102的低通濾波和電壓跟隨器送入STM32的AD采樣口。

圖4 電壓檢測電路

電壓保護電路通過設定電壓上限值和下限值使電機驅動系統正常工作。實際工作時，通常將電壓上限設定為工作電壓的130%，為343 V。當直流母線上的電壓大于電壓上限的時候，為保護系統，比較器LM393輸出低電平將制動電阻接入。當直流母線上的電壓小于電壓下限的時候，切去制動電阻，當母線電壓正好位于上下限之間則保持原狀態不動，避免過多開關切換。

5 三相四開關SVPWM的實現

容錯變頻器軟件算法和硬件拓撲結合的過程中，最重要的是其SVPWM的實現方式。由于變頻器的一相故障，故障橋臂被隔離，再也無法像傳統六開關逆變器一樣利用6個有效矢量進行空間向量的合成。為此，提出在隔離一相橋臂的基礎上，對逆變器進行重構。在此基礎上提出三相四開關的算法。如圖4所示，三相四開關逆變器由隔離后剩下的兩相健康橋臂和一組電容橋臂構成。

以A相故障為例。故障后新的拓撲由母線串聯電容中點電壓代替原來的橋臂對A相繞組供電，由B相和C相分別控制T2、T5、T3、T6的通斷。用“1”代表同一橋臂中功率器件上、下管導通，用“0”代表關斷。電機為Y型繞組的分布

以開關狀態（SB，SC）為（0，0）為例進行分析。當不考慮母線電容中點電壓波動時，由于每個電容電壓為Udc/2，相電壓為UAN=Udc/3，UBN=UCN=-Udc/6。同理可求得SBSC=01、SBSC=10、SBSC=11時各繞組的相電壓，通過將不同開關狀態下電機的相電壓代入至式（2）之中，可以得到三相四開關狀態下4組基本矢量。利用基本電壓進行矢量組合來合成參考矢量進而對電機進行控制。式（3）中為兩相靜止αβ坐標軸下各相基本電壓大小與開關狀態SB、SC的關系。

圖5 逆變器容錯拓撲

由式（2）、（3）對空間矢量定義可知：三相四開關SVPWM狀態下的空間基本電壓矢量在αβ坐標軸下的投影與開關模式的關系如圖5所示，由于只有4個開關狀態。所以基本矢量將αβ矢量空間劃分成4個區域，與三相六開關SVPWM不同的是4個基本矢量幅值并不完全相等：。圖5中空間基本電壓矢量的不對稱分布，使基本矢量的頂點連線組成一個菱形，也使電機磁鏈控制難度變大和自由度降低。

Uref為給定的參考矢量，在兩相坐標系內α軸和β軸上的投影直接影響各基本矢量的作用時間。只要通過B、C兩相功率開關管的切換，使基本矢量在每個扇區進行合理切換就能夠得到參考電壓Uref。其形成的磁場矢量方向與電壓矢量相差π/2相位角。

圖6 基本矢量圖

圖7 四開關SVPWM算法流程

圖6是三相四開關SVPWM的實現算法。首先得到參考電壓uα和uβ。利用給定參考電壓判斷參考電壓矢量所在扇區，確定扇區之后就可以利用基本電壓空間矢量來合成參考電壓；按照不同的SVPWM模式分配基本矢量。最后與三角波進行PWM調制，得到4個功率管所需的開關信號（SB、SC）。

6 實驗結果

為了驗證所提容錯控制方法的正確性，通過斷開一相橋臂信號線進行驗證。除在切換時有一些毛刺之外電機電流無明顯畸變，切換后電流脈動僅略有增加。說明三相四開關SVPWM在解決電機功率開關開路、短路故障上具有較好的可行性。

7 結 論

利用三相四開關SVPWM結合晶閘管能夠使無容錯能力的電壓型PWM逆變器具有對單相橋臂故障的容錯能力。由于只增加一組低成本、易觸發的雙向晶閘管，其余硬件變化不大，所以具有裝置成本低等特點。

圖8 電機相電流

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Design of a fault-tolerant inverter

XU Peng，SHI Huo-quan，LIU Hui-chao
（School of IOT Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

A kind of fault-tolerant inverter with STM32F103VBT6 is designed to solve short-circuit and open-circuit fault.Through the test of the platform，it is proved that the inverter can work under threephase four-switch SVPWM.It increases the reliability of the variable frequency drive system.

inverter；fault tolerance；four-switch three-phase SVPWM

TN773

A

1674-6236（2017）09-0149-04

2016-02-22稿件編號：201602090

徐 鵬（1990—），男，江蘇無錫人，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動。