航空三相静止变流器死区效应分析与补偿

闫群民

(陕西理工学院电气工程系，陕西 汉中 723003)

0 引言

航空三相静止变流器的作用是应用功率半导体器件，将飞机主电源的27 V直流电压变换为36 V、400 Hz的恒压、恒频交流电，以此作为光电陀螺仪的激励电源。为了使飞机安全、可靠地飞行，必须给陀螺仪提供高质量的电能。三相静止变流器采用直流升压变换器和正弦脉宽调制(sine pulse width modulation，SPWM)逆变器组合形式［1］。开关器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的导通和关断存在一定时间，且关断时间比导通时间长，若在IGBT关断过程中，同一桥臂的另一个IGBT立即导通，则必然使前级直流升压变换器短路，这势必会烧毁变换器。故在实际应用中，需使同一桥臂的上下IGBT导通和关断错开一定的时间，即死区时间，以保证同一桥臂的上下IGBT总是先关后通［2－3］。当插入死区时间后，死区时间和开关器件的非理想特性往往会造成输出电压、电流的畸变，从而产生转矩脉动，影响陀螺仪的精度。因此，必须对死区效应进行补偿［4］。死区效应补偿策略基本上属于一种平均补偿算法，即根据误差电压对电压指令进行修改，使实际输出电压等于理想电压［5］。本文详细分析了死区效应造成的电压畸变的原因和由此带来的谐波成分，同时对死区进行了电压型补偿，仿真和试验结果均证明该方法是可行、有效的。

1 死区效应分析

航空三相静止变流器系统主电路框图如图1所示。

图1 航空三相静止变流器主电路图Fig.1 Main circuit of aviation three-phase static inverter

图1中，前级为DC/DC升压变换器，中级为正弦脉宽调制逆变结构，后级为滤波电路。三相静止变流器的主要功能是将直流电压变换成交流电压，其控制电路一般采用双极性SPWM控制策略，主回路选用IGBT作为开关器件。理论上，同一桥臂的两个开关驱动信号应严格互补，但开关管的非线性特点实际上都存在一定的开关时间，且一般情况下关断时间比开通时间略长。如果将一对严格互补的信号加到同一桥臂的两个开关管上，当一个开关管未关断另一个开关管已导通时，两个开关管均处于导通状态。这样会造成前级升压变换器输出端短路而烧毁变换器或损坏开关管。因此，在同一桥臂的两个开关管驱动信号应设置死区，将驱动信号的上升沿滞后一段时间，待一个开关管完全关断时，另一个再导通，从而避免直通现象的发生［6］。

1.1 死区时间的计算

图1中，当电流流向陀螺仪负载时为正，那么开关管驱动信号的脉冲电压波形如图2所示。其中，电流的正、负方向判断可参考文献［3］。

图2 相脉冲电压波形Fig.2 Phase pulse voltage waveform

根据参考电压和补偿后电压伏秒面积相等的原则，理想情况下的伏秒面积为:

实际获得的伏秒面积为:

式中:Ts为开关周期;D为占空比;Vdc为升压变换器输出电压;Vs为开关导通压降;Vd为并联二极管的导通压降;M=td+ton－toff，td为死区时间。

当电流为正时，误差电压为:

相应的误差时间为:

由式(4)可知，Δt与 Vdc、td、ton、toff、Vs、Vd等参数有关。一般情况下，可设定td保持不变。由于Vdc与前级系统输入有关，也可视为不变，但是其他量将随着工作电流的变换而变化。

以a相为例，a相上管的实际导通时间为［7］:

一个开关周期中平均相电压Vao为:

开关周期中，a、b两相的平均线电压为:

1.2 死区效应时的输出电压

假设开关管是理想的，未滤波前输出相电压ua、ub、uc是理想的SPWM波，在三角波载波的调制下，以a相输出为例，它的傅里叶分解为［8］:

式中:uAO为a相输出的相电压;E为电源电压;M为电压幅度调制比;N为频率调制比;J0、Jn为第一类Bessel函数;m和n分别为相对于载波谐波次数和相对于调制波的谐波次数;ws为调制波频率。

由于实际应用中开关的非理想化存在死区，因此，要设置一定的开关死区。设置开关死区时间Δt有两种方式:一种是提前Δt/2关断，延滞Δt/2开通，称为双边对称死区设置;另一种是按时关断，延滞Δt开通，称为单边不对称死区设置。在三角波载波调制下得到的双边对称设置模式下的陀螺仪感性负载实际的相电压u'AO为:

比较式(8)与式(9)可以看出，在开关关断二极管续流时，死区Δt使输出电压基波幅值随着Δt的增大而减小，并且出现了幅值为的 3、5、7…次谐波，并且 Δt越大，3、5、7…次谐波幅值越大，输出电压的畸变率越高。

2 电压补偿法

对于三相静止变流器，死区效应产生的是一系列畸变脉冲，脉冲极性与相电流流向相关，运用电压平均值等效原理，可将该脉冲列等效为180°导通型的方波。由于输出三相电流互差120°电角度，这样在陀螺仪绕组中必然形成6个误差电压矢量［9］，如图3所示。采用恒相幅值变换时，误差电压矢量的幅值为4VdcM/3Ts。

图3 误差电压矢量图Fig.3 Deviation voltage vector graph

电压补偿是根据电流的流向产生一个与误差电压矢量大小相等而方向相反的矢量，以抵消死区效应。以表示补偿量，并将其分别向α、β轴投影，得到分量的两个分量如下:

对于三相星型连接的对称负载而言，SPWM电压型静止变流器的输出电压即是负载相电压。因此，对变流器输出电压补偿就是对负载电压进行补偿，采用Clarke反变换得到的三相补偿分量为:

以a相为例，补偿后的相电压分量为:

3 补偿策略

三相电流对称，其和必为零。因此，任意时刻三相电流中必有两相方向相同，对于同方向的电流不受死区效应影响，而不同向的必须进行补偿［10］。图2所示为开关理想触发信号和开关管实际导通情况波形图。当一个桥臂上的两个开关管都不导通时，桥臂的输出电压由续流二极管决定。当电流为正方向时，对上桥臂开关管而言，实际开通时间比理想开通时间缩短了T，而下管的开通时间则延长了T，那么需要的时间补偿是将上管的理想开通时间延长T。由于信号的互补性，下管的开通时间就被缩短了T，这样就达到了开关管实际开通时间与理想给定时间长度相等的目的，保证了变流器输出电压值与给定值相等。根据双边死区设置的原则，得到补偿时间为:

式中:ton为理想导通时间。

4 仿真与试验结果

用SABER仿真软件对以上策略进行仿真。三相静止变流器直流侧输入电压为27 V，调制正弦波频率为400 Hz，载波比为27，调制深度为0.8;滤波电路为低通滤波电路，三相电感量La=Lb=Lc=100 μH，三相电容量Ca=Cb=Cc=110 μC;陀螺仪等效为阻感性负载，定子电阻R=1.1 Ω，定子电感L=6 mH。仿真结果如图4所示。

图4 补偿前后的相电压波形Fig.4 Before and after compensation phase voltage waveform

本文采用TI公司的TMS320F2812芯片实现补偿策略算法。试验中，地面电源测试车提供三相静止变流器的直流输入电压27 V，负载为交、直流双路供电的、功率为300 W的陀螺仪，通过对输出端口接入一个电流电压互感器，对703XPS插头三相输出K、L、M针脚电压进行测试，即三相静止变流器A、B、C相电压进行测试。死区补偿后的试验波形如图5所示。

图5 补偿后的试验波形Fig.5 Test waveform after compensation

5 结束语

功率开关管的非理想化和死区时间的设置会使三相静止变流器的实际输出波形与理想波形存在差异，引起输出电压波形畸变，从而产生转矩脉动，影响陀螺仪的指示精度。因此，必须对死区效应进行相应的补偿。

本文引入设置死区时间与电压补偿相结合的方法，利用数模混合仿真软件SABER进行仿真分析，最后通过数字芯片TMS320F2812来实现补偿策略，试验证明该方法是合理有效的。

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