Compensation of dead time caused output voltage distortion in SPWM full bridge inverter

Abstract

Nowadays, inverters have become an indispensable element for many application areas when industrial applications are examined. Inverters are widely used in battery systems, renewable energy systems, control of various electrical machines and power systems. Due to the fact that inverter is often used in industry, studies on inverters have increased recently and inverter technologies are developing gradually. Generally, single-phase or three-phase full bridge voltage source inverters are used in such applications and there are various modulation techniques such as sinusoidal pulse width modulation technique, space vector pulse width modulation technique and etc. to provide voltage and frequency control of these inverters. These various techniques have been developed to minimize switching losses and reduce harmonics in output current and voltage. In real applications, power switches used in power electronics circuits are not ideal. These power switches have turn-on and turn-off time in switching characteristic. Because of this reason, the simultaneous conduction of switches on the same leg causes short circuit in inverter circuit. This situation is undesirable. In order to prevent synchronous conduction of both switches of the same leg at the same time, time delay is inserted to the driving signal of these switches.This time is called as dead time. Although dead time/blanking time has to be used in this circuits as mentioned above, the dead time has a very negative effects in terms of distortion of output waveforms. These problems are distorion of the output voltage and current waveform to contain a significant number of harmonic components at low voltage and high switching frequency. During the dead time, distortion of the voltage and current waveforms can be seen clearly at zero crossings of the current. In literature, this situation is called as zero-current-clamping phenomenon. This effect becomes greater as the switching frequency increases. In order to eliminate or reduce these effects, several approaches have been proposed. These methods can be listed as dead time compensation methods, dead time elimination methods, dead time minimization methods. It is seen that it is necessary to use dead time compensation methods since it is desired that the output voltage of the inverters is close to the sinus form and thus the total harmonic distortion is be reduced to a minimum. In order to provide this, these compensation methods are gradually developed. In this thesis context, time compensation method, which is one of the dead time compensation methods, is used. The turn-on or turn-off time of the power devices are adjusted by changing pulse-width in this method. Pulse-width is increased or decreased at zero crossings of the current. Thus, THD value of output waveforms is decreased by using this method. In this thesis, both simulation and implementation of a voltage source single-phase inverter have been carried out and the sinusoidal pulse width modulation method (SPWM) is used as modulation technique. Digital sinusoidal pulse width modulation is programmed with the help of STM32F407VG microcontroller of STM series. In addition, STM32CubeIDE is used as development tool. SPWM is produced by comparing the sine tables, which is produced by the microcontroller, with the microcontroller counter. This circuit is designed as open-loop system and the modulation index is initially set to a certain value both R and RL loads. While the input voltage of the designed circuit is 400 V, the output voltage is 220Vrms and the switching frequency is 20 kHz. The output power of the designed circuit is between 450 and 480 W at both R and RL loads. In addition, the dead time is 1 µs in all cases. In fixed dead time, output voltage and current for compensated and uncompensated states are obtained by simulation and implementation at R and RL loads. Due to the effect of dead time, harmonic distortions are observed on the output voltage and output current in uncompensated state. In order to minimize this effect, the time compensation method, which is one of the dead time compensation methods, is used within the scope of this thesis as mentioned above. Thus, the harmonic distortion is aimed to be reduced. According to simulation results, while the total harmonic distortion of output voltage is 5.34 at uncompensated state, total harmonic distortion of output voltage is 3.15 at compensated state at R load. On the other hand, while the total harmonic distortion of output voltage is 5.42 at uncompensated state, total harmonic distortion of output voltage is 3.71 at compensated state at RL load. According to experimental results, while the total harmonic distortion of output voltage is 5.89 at uncompensated state, total harmonic distortion of output voltage is 3.86 at compensated state at R load. On the other hand, while the total harmonic distortion of output voltage is 6.02 at uncompensated state, total harmonic distortion of output voltage is 4.50 at compensated state at RL load. According to the results, It has been clearly seen that the applied time compensation method reduces the harmonic distortions on the output voltage caused by the dead time.

Günümüzde endüstriyel uygulamalara göz atıldığında bir çok uygulama alanı için eviriciler olmazsa olmaz bir unsur haline gelmiştir. Çeşitli elektrik makinalarının kontrolünde ve güç sistemlerinde eviriciler kullanılamakla beraber batarya sistemlerinde ve yenilenebilir enerji sistemlerinde de sıklıkla karşılaşılmaktadır. Endüstride sık kullanılması sebebiyle de eviriciler üzerinde çalışmalar son zamanlarda artmıştır ve evirici teknolojileri giderek gelişmektedir. Genel olarak bu tarz uygulamalarda bir fazlı veya üç fazlı olmak üzere tam köprü gerilim kaynaklı eviriciler kullanılmakla beraber bu eviricilerin gerilim ve frekans kontrolünü sağlanması için sinusoidal darbe genişlik modülasyon tekniği,uzak vektör darbe genişlik modulasyon tekniği gibi çeşitli modülasyon teknikleri kullanılmaktadır. Bu çeşitli teknikler anahtarlama kayıpların minimuma indirilmesi, çıkış akım ve geriliminde oluşan harmoniklerin azaltması için geliştirilmişlerdir. Ek olarak , darbe genişlik modulasyon kontrol tekniği olarak unipolar PWM tercih edilmiştir. Aynı şartlar altında Bipolar PWM tekniğiyle karşılaştırıldığında daha düşük THD değerlerinin elde edilmesi, gerçek uygulamalarda dv/dt değerine bağlı olarak daha düşük nominal değerli yarı iletken anahtarların seçimine yardımcı olması ve çıkış tarafının frekansı anahtarlama frekansının 2 katı olması sebebiyle unipolar PWM bu tez kapsamında tercih edilmiştir. Ideal durum için evirici devreleri göz önüne alındığında devrenin kısa devre olmaması için aynı bacaktaki elemaların kapı sinyalleri birbirinin tersi olması gerekmektedir. Başka bir deyişle, üstteki yarı iletken eleman iletimdeyken alttaki yarı iletken eleman kesimde veya alttaki bacaktaki yarı iletken eleman iletime girerken üstteki bacaktaki yarı iletken eleman kesime girmelidir. Ancak gerçek uygulamalarda bu geçiş esnasında elemanların ideal olmamasından ve bununla beraber iletime ve kesime girme sürelerinin farklı olmasından dolayı devrede kısa devre meydana gelir. Kısa devreyi önlemek için aynı bacak üzerindeki kapı sinyallerine fazladan zaman eklenir. Literatürde bu zamana ölü zaman adı verilmektedir. Ölü zaman süresi µs merterbelerindedir. Bu devrelerde her ne kadar ölü zaman kullanılması kısa devrenin gerçekleşmemesi için zorunluluk olsa da, ölü zamanın, çıkış dalga formlarının bozulması hususunda çok olumsuz etkileri vardır. Bahsedilen problemler, özellikle düşük voltaj ve yüksek anahtarlama frekanslarında önemli miktarda harmonik bileşen içerecek şekilde çıkış voltajının ve çıkış akımın dalga biçiminin bozulmasıdır. Başka bir deyişle bu durum, toplam harmonik bozulmayı çıkış gerilimi ve akımı üzerinde artırır ve dalga şekillerini bozar.Bu durum detaylı olarak incelendiğinde , ölü zaman süresi boyunca özellikle akımın sıfır geçişlerinde gerilim ve akım dalga biçimlerinin bozulduğu açıkça görülebilir. Literatürde bu duruma sıfır akımlı kenetlenme olayı denir. Bu etki, anahtarlama frekansı arttıkça artar. Bu olumsuz etkileri ortadan kaldırmak veya azaltmak için çeşitli yaklaşımlar önerilmiştir. Bu yöntemler ölü zaman kompanzasyon yöntemleri, ölü zaman eliminasyon yöntemleri, ölü zaman minimizasyon yöntemleri olarak sıralanabilir. Eviricilerin çıkış geriliminin sinüs formuna yakın olması ve böylece toplam harmonik bozulmanın minimuma indirilmesi gerektiğinden ölü zaman yöntemlerinden birinin kullanılması gerektiği açıkça görülmektedir. Bu kompanzasyon yöntemleri üzerine çalışmalar son zamanlarda artmıştır. Bu tez kapsamında ölü zaman kompanzasyon yöntemlerinden biri olan zaman kompanzasyonu yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemde akımın sıfır geçişlerinde doluluk oranı artırılıp azaltılılır. Böylece, bu yöntem kullanılarak çıkış dalga biçimlerinin THD değeri azaltılmış olur. Ek olarak, evirici devrelerinde çıkış gerilimlerinin sinüsoidal forma çok yakın olması istenir. Çünkü elde edilen elektrik enerjisi ve kalitesi hem kullanıcılar hem de kullanılan cihazlar için çok önemlidir. Bu tür dönüştürücülerin en önemli sorunu anahtarlama frekansı ve katlarında harmoniklerin varlığıdır. Diğer bir yandan, IEC 61727, IEEE 1547-2003 ve IEEE 929-2000 uluslararası elektrik standartlarına göre, çıkışa enjekte edilen akımın toplam harmonik bozulması %5'ten az olması istenmektedir. Bu doğrultuda filtrelerin kullanmasının zorunluluğu bir kez daha ortaya çıkmaktadır. Genellikle eviricilerin çıkışlarına kapasite, direnç ve endüktanstan oluşan pasif filtre elemanları bağlanır ve bu pasif elemanlar yalnızca köşe frekansına kadar olan sinyalleri çıkışa geçirirken , köşe frekansından büyük sinyalleri çıkışa geçirmezler. Böylece eviricin çıkışı sinüsoidal forma yakın olur. Literatürde bu filtrelere alçak geçiren filtre adı verilir. Genellikle L, LC, LCL olarak bilinen alçak geçiren filtreler eviricilerin çıkışlarında kullanılmaktadır. Bu tez kapsamında, LC filtre, L filtreye kıyasla daha az maliyetli, daha küçük boyutlu ve daha yüksek performanslı olması ve bununla beraber devrenin şebekeden bağımsız bir sistem olması nedeniyle tercih edilmiştir. L ve C filtrenin değerleri 3.61 mH ve 4 µF olarak hesaplanmıştır. Bu tezde, gerilim kaynaklı tek fazlı bir inverterin hem simülasyonu hem de uygulaması gerçekleştirilmiş olup, modülasyon tekniği olarak sinüsoidal darbe genişlik modülasyon yöntemi (SPWM) kullanılmıştır. Dijital sinüzoidal darbe genişlik modülasyonu, STM serisi STM32F407VG geliştirme kartı yardımı ile programlanmıştır. Ayrıca geliştirme aracı olarak STM32CubeIDE kullanılmıştır. Yarı iletken elemanların kapılarına uygulanmak üzere üretilen SPWM, STM32F407VG geliştirme kartı tarafından üretilen sinüs tabloları ile kullanıcı tarafından istenen anahtarlama frekansına göre başlangıçta belirlenen sayıcı değeri karşılaştırılarak üretilir. Ölü zamanın çıkış gerilimi üzerindeki bozucu etkisini gözlemleyebilmek için kompanzasyonlu ve kompanzasyonsuz durumlarda sabit bir ölü zaman belirlenerek hem R hem de RL yük durumlarda gözlemler yapılmıştır ve sonuçlar elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar hem simulasyon ortamında hem de devrenin gerçeklemesi ile ortaya çıkmıştır. Ek olarak, bu devre açık çevrim sistem olarak tasarlanmıştır ve modülasyon indeksi başlangıçta hem R hem de RL yükleri için belirli bir değere ayarlanmıştır. RL yüklerinde güç faktörü 0.89 olarak belirlenmiş ve hem simulasyonda hem de uygulamada yük değerleri buna göre hesaplanmıştır. Bu doğrultuda R ve L değerleri sırasıyla 85 ohm ve 143mH'dir. Kompanzasyonsuz durum incelendiğinde çıkış gerilimi üzerindeki ölü zamanın etkisi net bir şekilde ortaya çıkmış ve harmonik bozulmalar görülmüştür. Bu etkiyi en aza indirgemek için ölü zaman kompanzasyon yöntemlerinden biri olan zaman kompanzasyon yöntemi bu tez kapsamında yukarıda belirtildiği gibi kullanılmıştır. Böylece harmonik bozulmanın azaltılması hedeflenmiştir. Devrenin benzetimi gerçekleştirildiğinde, R yükünde ve kompanzasyonsuz durumda çıkış gerilimin toplam harmonik bozulması 5.34 iken, kompanzasyon durumunda çıkış gerilimin toplam harmonik bozulması 3.15'tir. Öte yandan, RL yükünde kompanzasyonsuz durumda çıkış geriliminin toplam harmonik bozulması 5.42 iken, kompanzasyon durumunda çıkış gerilimin toplam harmonik bozulması 3.71'dir. Devrenin uygulaması gerçekleştirildiğinde, R yükünde ve kompanzasyonsuz durumda çıkış gerilimin toplam harmonik bozulması 5.89 iken, kompanzasyon durumunda çıkış gerilimin toplam harmonik bozulması 3.86'dır. Öte yandan, RL yükünde kompanzasyonsuz durumda çıkış voltajının toplam harmonik bozulması 6.02 iken, kompanzasyon durumunda çıkış gerilimin toplam harmonik bozulması 4.50'dir. Simulasyon ve uygulama sonuçları incelendiğinde, zaman kompanzasyon yönteminin, ölü zaman tarafından oluşturulan çıkış gerilimi üzerindeki olumsuz etkiyi belirli bir oranda azalttığı net bir şekilde görülmektedir.Yukarıda verilen sonuç değerleri giriş gerilimi 400 V iken hesaplanmıştır.100-400V arası ölçümler de bu tez kapsamında incelenip tezin içinde tablo şeklinde verilmiştir.