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专利号: 2020104952112
申请人: 湖南师范大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种三相逆变器实时仿真模型的建模方法,其特征在于,所述三相逆变器由直流侧、逆变桥、输出侧三部分组成,直流侧由直流电源并联稳压电容组成;逆变桥部分由三个桥臂并联组成,三相逆变器第一桥臂上桥臂IGBT(V1)集电极连接至直流侧电源正极,发射极连接下桥臂IGBT(V2)的集电极,(V2)发射极连接直流侧电源负极;续流二极管(Vd1)阴极连接IGBT(V1)的集电极,阳极连接IGBT(V1)发射极;续流二极管(Vd2)阳极连接IGBT(V2)的集电极,(Vd2)阴极连接IGBT(V2)的发射极,上下桥臂公共连接端为输出相(U);第二桥臂上桥臂IGBT(V3)集电极连接至直流侧电源正极,发射极连接下桥臂IGBT(V4)的集电极,(V4)发射极连接直流侧电源负极;续流二极管(Vd3)阴极连接IGBT(V3)的集电极,阳极连接IGBT(V3)发射极;续流二极管(Vd4)阳极连接IGBT(V4)的集电极,(Vd4)阴极连接IGBT(V4)的发射极,上下桥臂公共连接端为输出相(V);第三桥臂上桥臂IGBT(V5)集电极连接至直流侧电源正极,发射极连接下桥臂IGBT(V6)的集电极,(V6)发射极连接直流侧电源负极;续流二极管(Vd5)阴极连接IGBT(V5)的集电极,阳极连接IGBT(V5)发射极;续流二极管(Vd6)阳极连接IGBT(V6)的集电极,(Vd6)阴极连接IGBT(V6)的发射极;上下桥臂公共连接端为输出相(W);

A11. 输出侧为三相LC滤波器,三相逆变器第一桥臂输出相U串联第一电感L1,第二桥臂输出相V串联第二电感L2,第三桥臂输出相W串联第三电感L3,L1、L2、L3输出端分别连接电容C1、C2、C3三个电容并连接至负载,C1、C2、C3三个电容的另一端子连接在一起;

A12. IGBT等效电路可以由极间寄生电容、受控电流源及线路杂散电感组成,将栅极-发射极寄生电容Cge设置为一个常数,栅极-集电极寄生容电容Cgc、集电极-发射极间寄生电容Cce是一个随集电极-发射极电压Vce 变化而变化的变量,受控电流源Imos表示IGBT输出电流外特性。

2.一种三相逆变器实时仿真模型的建模方法,其特征在于,包括如下步骤:A1、采用二次函数拟合IGBT开关动作过程的外特性曲线;

A2、采用Matlab/simulink查找表模块构建单个IGBT开关模型;

A3、采用有限状态机构建三相逆变器IGBT开关桥臂的计算模型;

A4、根据控制脉冲计算逆变器输出的相电压;

A5、将模型导入到FPGA中构建三相逆变器实时仿真模型。

3.依据权利要求2所述的三相逆变器实时仿真模型的建模方法,其特征在于所述的步骤A1中采用二次函数拟合IGBT开关动作过程的外特性曲线的具体步骤为:A31 、IGBT开关开通过程建模:

开通延时阶段:( ):在 时刻在栅极施加正向电压,IGBT的输入电容 开始充电,栅极-发射极电压 开始上升,在 时刻电压上升至IGBT开通电压 ,IGBT集电极-发射极电压按下式计算:

    (1)

输入电容 ,式中 表示IGBT栅极-发射极极间寄生电容, 表示栅极-集电极极间寄生电容;

电流上升阶段:( ):在此过程中 ,IGBT集电极电流开始上升,栅极电流继续为输入电容充电,而寄生电感 导致集电极-发射极电压产生微小压降,在 时刻,电流 上升至负载电流 , 由 下降至 ,IGBT集电极-发射极电压按下式计算:

(2)

其中,模型参数计算式为:

              (3)

(4)

式中, , 表示杂散电感, 表示负载电压值, 表示直流侧电压;

反向恢复阶段:( ):此阶段为续流二极管反向恢复过程,IGBT开通过程是IGBT与续流二极管换流的过程,当 时,二极管电流由0增加到反向峰值电流 ,而负载电流 ,因此负载电流会产生超调量,IGBT集电极-发射极电压保持不变,按下式计算:

(5)

在 时刻负载电流达到峰值;

在 过程中,当负载电流达到峰值后开始呈指数下降,并在 时刻下降到负载电流 ,电压 由 下降至拖尾电压, 计算式为:(6)

模型参数 计算式为:

(7)

式中, 表示拖尾电压, ;

在 过程中,因为集电极-发射极电压 的减小导致IGBT米勒电容迅速增大,使得该阶段 下降速率降低, 时刻, 下降至IGBT通态压降,电压的计算式为:

 (8)

模型参数 计算式为:

            (9)

式中, 表示IGBT通态管压降, ;

时,IGBT由有源区进入饱和区,栅极电压达到栅极施加的正向电压,IGBT完全开通;

 A32 、IGBT开关关断过程建模;

IGBT开关的关断过程是开通过程的逆过程,采用与开通过程相同的建模方法搭建关断时IGBT行为模型,所述模型的计算式为:(10)

式中,模型参数计算式为:

(11)

其中, 为直流母线电压, 表示负载电流, 表示拖尾电压值,  为IGBT开通时的通态压降,线路存在的寄生电感 在电流上升时将导致集电极-发射极电压 产生微小压降 ,即 ,利用上述模型即可计算出单个IGBT开关开通与关断过程的电压特性曲线。

4.依据权利要求2所述的三相逆变器实时仿真模型的建模方法,其特征在于,所述步骤A2采用Matlab/simulink查找表模块构建单个IGBT开关模型,具体步骤为:将计算出的IGBT开关开通与关断过程特性曲线按仿真步长依次存放在查找表中,其中第1到第N位存放开通过程电压特性曲线,第N+1到第N+M位存放关断过程电压特性曲线,其中N、M计算式为:(12)

(13)

式中: , , 表示仿真步长。

5.依据权利要求2所述的三相逆变器实时仿真模型的建模方法,其特征在于,所述步骤A3采用有限状态机构建三相逆变器IGBT开关桥臂的计算模型,具体步骤为:A51.在有限状态机中设计两个状态:state1开通状态、state2关断状态,分别表示三相逆变器单个IGBT开关的开通和关断, PWM脉冲控制信号作为状态机转换控制信号,当PWM信号等于1时,激活state1状态,触发计数器A从1计数至N,并之后持续输出N值,直至PWM等于0时停止输出;当PWM等于0时,激活state2状态,触发计数器B从N+1计数至N+M,之后并持续输出N+M值,直至PWM信号等于0时停止输出,计数器输出值作为查找表模块的输入值;

A52.三相逆变器运行时每相桥臂的上下IGBT开关交替开通,PWM信号控制IGBT的开通与关断,用PWM=0表示关断信号,PWM =1表示开通信号,三相逆变器每相桥臂上下IGBT开关共有{10,01,00,11}四种工作状态,“00”表示上下桥臂IGBT全部关断,桥臂停止工作;“11”状态表示上下桥臂直通,是不允许的工作状态,对每相桥臂上下IGBT开关各设计一个状态机及查找表,对两个查找表的输出结果求和得到三相逆变器单相输出电压。

6.依据权利要求2所述的三相逆变器实时仿真模型的建模方法,其特征在于,所述步骤A5将模型导入到FPGA中构建三相逆变器实时仿真模型,具体步骤为:A61.状态转换控制模块,单个IGBT开关共有{1,0}两种工作状态,“1”表示IGBT开通,“0”表示IGBT关断,在有限状态机中设置两个状态:IGBT开关开通状态和IGBT开关关断状态,PWM脉冲信号控制状态机状态转换,当PWM信号出现上升沿时,状态机进入IGBT开关开通状态,激活IGBT开关开通模型开始计算;当PWM信号出现下降沿时,状态机进入IGBT开关关断状态,激活IGBT开关关断模型开始计算;

A62.模型参数计算模块,用于计算所构建的IGBT开关模型参数 、 ,参数计算采用并行计算且不受时序约束,输出值随输入参数的变化而变化,参数模块计算结果输入到IGBT开关开通与关断模型计算式中;

 A63.IGBT开通关断模型时序控制流程,权利要求3中所建立的IGBT开关模型,其开通过程分为5个阶段,将开通过程设计为具有5种状态转换的状态机,每个状态控制一个IGBT开关开通模型计算式,开通模型被激活后状态机由1至5按顺序执行,变量t处于区间1()时,状态机进入状态1,计算开通过程中阶段1的模型;变量t处于区间2()时,状态机进入状态2,计算开通过程中阶段2的模型,以此类推,根据变量t所处的区间依次进入不同的状态,并计算对应阶段的开通模型计算式,当进入状态5时,持续输出状态5的计算结果,直至关断模型激活后停止输出;IGBT开关关断过程分为4个阶段,设计为具有4种状态转换的状态机,其时序控制流程与开通模型控制流程相同,逆变器中各IGBT开关开通关断模型的计算具有并行性,模型的激活取决于上述状态机的输出;

A64.构建三相逆变器IGBT桥臂的计算模型,采用两个IGBT开关模型构建三相逆变器桥臂输出电压的计算模型,各桥臂上下IGBT模块独立、并行计算,将各桥臂计算出的结果作为逆变器的各相输出电压。