有源电力滤波器主电路死区延时的研究*

陈 艳，曹志平

（湖南工学院电气与信息工程系，湖南衡阳421008）

1 引言

有源电力滤波器作为动态谐波治理装置，是谐波治理技术的发展方向［1］-［2］，它对系统实时性要求很高。随着高速开关器件的发展，基于电压型逆变器的PWM技术广泛应用于有源电力滤波器主电路控制中。为了避免同一桥臂上下两个开关器件同时导通而引入了死区的概念，但同时也带来了对APF逆变器输出电流的扰动，即所谓的死区效应，从而降低了APF装置的谐波补偿效果［3］。本文在考虑死区效应的情况下通过基于改进规则采样法对APF主电路进行PWM调制，将调制得到的下桥臂关断时间点提前，用以补偿死区延时，从而进一步改善APF装置谐波抑制的效果。

2 死区延时产生的原因

有源滤波器的控制本质上是对PWM逆变器的控制。当APF的数字化控制器获得控制信号之后，将该控制信号送入逆变器对功率开关进行控制，这一阶段也存在延时。主要有如下原因：首先是由于开关器件并非是理想的，控制信号得到响应需要一段时间，即有源逆变器的开关时间，开通时间指延迟时间与上升时间之和，关断时间一般指储存时间和下降时间之和。该时间与选用的半导体开关器件类型密切相关，例如门极可关断晶闸管（GTO）延期时间一般为1-2μs，上升时间则随阳极电流值的增大而增大，下降时间一般小于2μs，绝缘栅极双极性晶体管（IGBT）的开关时间次之［4］。即使是同一种类型的半导体器件，其关断时间和器件的功率水平、导通的饱和深度也有关系。另一个更为重要的原因是作为有源逆变器，为了避免上下桥臂直接贯通而短路，常常在上下桥臂中的一个管子关断之后，另外一个管子导通之前，加上一定的死区时间。选用的半导体开关器件不同，要求的最小死区时间也不相同，死区时间要大于半导体开关器件的最大关断时间。例如智能IGBT模块-PM600HSA120,开关时间分别为ton＝2.5 μs，toff＝4 μs，最大开关频率为 20 kHz。为保险起见，在实际应用中死区时间一般都至少设定为5 μs以上。

3 死区延时对有源电力滤波器的影响

补偿电流发生电路是并联型有源电力滤波器中的一大组成部分。补偿电流发生电路由电压型PWM变流器及其相应的驱动电路、电流跟踪控制电路组成。现以电压型PWM变流器C相桥臂为例研究死区延时对并联型有源电力滤波器的影响。如图1所示，Td为设定的死区时间，考虑到死区延时，将欲关断的IGBT与理想波形同时关断，而欲开通的IGBT延迟Td才开通，则在死区时间内，IGBT T1和T2同时处于截止状态，负载电流ic通过续流二极管D1、D2续流而得到。设电流由逆变器向外流出时ic为正，电流流进逆变器时ic为负，则在死区时间内输出电压的大小与电流ic的方向有关。

图1 电压型PWM逆变器C相桥臂

由图1可知：ic＞0时，负载电流通过D2续流，输出电压Uc＝-UDC/2；ic＜0时，负载电流通过D1续流，输出电压 Uc＝UDC/2。

而在理想情况下，同一桥臂上两个IGBT的控制信号是互补的，即一个处于导通状态时，另一个必须处于关断状态。

当 T2关断，T1导通时，ic＞0，输出电压 Uco＝UDC/2；当 T1关断，T2导通时，ic＜0，输出电压 Uco＝-UDC/2。

在死区时间Td内，把实际电压输出和理想电压输出之间的差值作为c相的误差电压Ui，即Ui＝Uco-Uc，若忽略脉冲上升与下降的时间，Ui可看作是矩形波，其脉冲宽度是确定不变的，即死区时间Td，且Ui的幅值与电流 ic的方向有关，当 ic＞0 时，Ui＝U-Uc＝UDC；当 ic＜0 时，Ui＝Uco-Uc＝ -UDC。

如图2所示为死区效应的波形示意图，（a）为c相桥臂理想输出电压Uco的波形（不含死区）,（b）为实际输出电压 Uc的波形，（c）给出了电流的方向，（d）表示c相误差电压。

由此可见，死区效应引起的等效误差方波是与PWM逆变器输出的谐波补偿电流是反相的，假设电压型PWM逆变器载波比足够高，且误差电压脉冲呈等间距分布，则等效误差方波幅值Uk的大小可表示为：

式中：N为一个基波周期T内的开关次数，fc为载波频率。

图2 死区效应波形示意图

由式（1）可知，方波的幅值与逆变器输出电压和电流的大小无关，而与载波频率和死区时间成正比。若设载波频率fc为12.8 kHz，死区时间为5μs,直流侧电压UDC为500 V，则误差方波的幅值可达32 V，其对输出的影响将不可忽略。

对于并联型有源电力滤波器，其补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。而补偿电流ic是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电感上产生的［4］。

假设逆变器输出的谐波补偿电流ic是5次谐波，且仍以基波周期T为最小正周期，基波频率为50 Hz。由上述分析可知，误差方波是与PWM逆变器输出的谐波补偿电流是反相的，故其频率相同，即为5×50＝250 Hz。则对误差电压Ui方波进行傅立叶分析：

其中：Um为Ui的幅值，ω1为Ui方波的的角频率。

由此可知，方波在5次谐波（250 Hz）附近的幅值较大，从而对逆变器的谐波输出产生一定的影响，同时，其它频率谐波的存在也将影响APF的补偿效果。

从相位分析，加入死区延时以后逆变器实际输出的谐波电压、电流的相位比理想的波形要滞后［5］。

综上所述，死区延时产生的误差电压对APF逆变器输出谐波电流的幅值和相位都会产生消极影响，从而降低APF装置的谐波补偿效果。

4 基于改进规则采样法进行PWM调制的死区补偿方法

改进规则采样法是一种在规则采样法基础上的一种改进方法,这种方法具有比规则采样法有更好的精确度的优点,更适合于工程应用［6］。其原理图如图 3（a）所示。

图3 改进的规则采样法

设三角波的周期为T，在相邻两个三角波负峰时刻ti和ti＋T对调制信号采样而得到C点和D点，过C点和D点作一直线和三角波分别交于A点和B点，在A点的时刻t1和B点的时刻t2控制功率开关器件的通断。

三角波的周期T和幅值K都是确定的，设调制信号在C点和D点的值分别为s1和s2,则可求得线段CD的方程为：

三角波两腰的方程为：

联合（4）-（6）,即得功率开关时间 t1和 t2的值为：

以逆变器C相桥臂为例，采用如图3（a）所示的改进规则采样法进行PWM调制，在ic＜0的情况下，死区效应的影响相当于上桥臂T1关断和下桥臂T2开通时间按理想时间滞后Td，在考虑死区效应的情况下，要使输出为理想波形只需将调制得到的上桥臂关断时间点t1提前Td即可。同样，在ic＞0的情况下，也只需将调制得到的下桥臂关断时间点t2提前Td即可。如图3（b）所示。

即在 ic＜0 时，t1、t2的值改为

在 ic＞0 时，t1、t2的值改为

通过上述计算得出t1和t2的实际值t1′和t2′，从而可得到PWM控制信号脉宽数据。

5 结束语

有源电力滤波器信号处理流程中的各个环节都存在一定的延时,死区延时可看作一种比较特殊的延时，同样将降低滤波装置的谐波治理效果，还可能导致某些高次谐波放大，甚至影响基于锯齿载波的脉宽调制［7］。在通过改进规则采样法进行PWM调制时，通过将调制得到的上下桥臂关断时间点提前一个死区时间，即实现了在PWM调制过程中完成死区延时的有效补偿,从而进一步提高了调制精度，改善了APF装置谐波抑制的效果。

［1］王兆安,杨 君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京：机械工业出版社,2006:257-259.

［2］肖红霞,范瑞祥.有源电力滤波器延时分析［J］.电气传2006，10：33-36.

［3］潘 雷,刘栋良,彭继慎,宋绍楼.基于最小开关损耗的在线延时死区补偿算法［J］.电力电子技术,2007，（4）:18-20.

［4］邓醉杰,王 辉,徐 锋,韦泽垠.三相电压型PWM逆变器双闭环控制策略研究［J］.防爆电机,2007,（1）:11-14.

［5］范瑞祥.并联混合型有源电力滤波器的理论与应用研究［D］.长沙:湖南大学,2007.

［6］王兆安,黄 俊.电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社,2006,9-41.

［7］范瑞祥,罗 安,唐 杰.谐振注入式有源滤波器数字化控制系统延时研究［J］.中国机电工程学报,2007,（5）：104-110.