正弦脉宽调制逆变器死区典型补偿策略*

王明渝， 王 磊

(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400040)

0 引言

电力电子技术的发展极大地促进了脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)电压型逆变器的应用［1］。逆变器输出电压波形的质量显得尤为重要。理想的电压波形通常为纯正弦波，但实际上存在着很多因素使输出波形畸变。其中一个重要的畸变因素是同一桥臂上、下两个器件在开关过程中必有一个死区时间Td，以防止桥臂直通短路;另外一些因素如开关器件的导通压降、开关时间等。每个PWM周期内引起的微小畸变经积累后，会引起输出电压波形较大的畸变，降低基波幅值，增加低次谐波含量，增加电机的谐波损耗等。因此，寻求一种简便、有效的死区时间补偿方案很有必要。

当前对逆变器死区的研究主要集中于电压前馈和电流反馈补偿，文献［1］提出了一种电流反馈的死区补偿方法，该方法简单易行，但是需要准确知道直流侧电压、PWM载波频率、死区时间，以确定死区补偿值;并且没有对功率器件的导通压降进行补偿，因此存在补偿误差。文献［2-3］提出基于永磁同步电机交流伺服系统采用干扰观测器的方法，对逆变器的死区效应进行在线死区补偿，该方法由于干扰观测器的设置，补偿电压存在相位滞后，同时干扰观测器的增益选择需要一定的经验。文献［4］采用预测电流控制来降低逆变器死区所导致的零点电流钳位问题，系统为局部稳定系统。文献［5］引入死区补偿时间来补偿死区效应，死区补偿时间包含了导通时间、关断时间和导通压降，但由于死区补偿时间未知，并且随工作点的不同而发生变化，因此需要在线辨识，固定的死区补偿有时会使得补偿误差加大。文献［6］提出了基于电流反馈和无效器件相结合的死区补偿方法，该方法软、硬件结合，电流方法确定有效器件且保证有效器件的开通时间，给无效器件仍然送驱动信号，可以达到有效的补偿效果。

为改善逆变器的输出波形，本文对典型死区补偿方法的原理进行了具体分析，并对其进行了仿真。仿真结果表明了所提出方法的有效性和可行性，同时通过比较两种补偿方法的仿真结果，得出两种补偿方法的优劣。研究对于提高和改善变频调速系统的性能，以及对死区问题的分析有很好的借鉴意义。

1 死区效应分析

三相全桥正弦脉宽调制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)逆变器的主电路结构如图1所示，其控制电路一般采用双极性SPWM技术。

图1 带异步电机的三相PWM逆变器

在传统的死区效应分析中，并不考虑开关管的固有特性(通态管压降和开关时间)的影响。若考虑开关管固有特性［7］的影响，死区效应如图2所示。

［7］以IGBT为例，设开通时间为ton，关断时间为 toff，IGBT的导通压降为 Usat，二极管的导通压降为Ud，正弦波给定信号幅值为U*。以电流ia流向电机为正方向，在一个开关周期内取平均值进行分析。

图2 考虑开关特性的逆变器死区效应波形图

(1)当电流i＞0时，若D2导通:

若S1导通:

(2)当电流i＜0时，同理可推出:

因此，当考虑到开关管的通态压降和开关时间的影响时，误差电压不只与输出电流的极性有关，还与输出电流的大小和调制波的大小有关。

通过以上推导，本文在考虑死区补偿的同时对管压降等进行补偿考虑，对两种典型的死区补偿方案进行仿真，并比较其优缺点。

2 死区补偿方案

死区补偿方法多种多样，但从具体实现来说，有的采用硬件、有的采用软件、有的采用软硬件结合的方法，因此从中选择具有代表性的电流反馈补偿方法，以及基于电流反馈和无效器件相结合的补偿方法进行具体研究。

2.1 电流反馈死区补偿法

文献［1］提出的电流反馈型死区补偿原理是通过检测三相电流的极性来确定死区的补偿电压。即:需要检测相电流的极性，并将其变成方波电压，加到每相的调制波上，该方波电压使逆变器产生一个与电流相位相同、与误差波形相似的补偿电压。电流反馈型死区补偿方法的原理框图如图3所示，由此来建立MATLAB仿真图进行仿真研究。

图3 电流反馈补偿原理框图

图4是电流反馈死区补偿的补偿模块。造成逆变器输出波形畸变的原因除了死区效应外，开关器件的非理想特性(如导通压降、开关延迟等)也会使逆变器的输出波形产生畸变，文献［1］没有考虑开关管固有特性的影响。

图4 电流反馈补偿的补偿模块图

根据前文分析，在补偿中对开关管固有特性同时进行补偿，实际补偿值为

其中:2Udc/π是由PWM法调制的输出电压进行傅里叶分解得到的基波幅值电压;Ue为由式(6)或式(7)决定的死区误差值。

2.2 基于无效器件补偿方法

2.2.1 死区补偿原理分析

文献［6］提出了基于电流反馈和无效器件相结合的死区补偿方式，该方法首先检测逆变器输出的电流方向，再根据电流方法确定有效器件且保证有效器件的开通时间，该方法是在原驱动信号的基础上加以补偿，给无效器件仍送驱动信号。

由于在MATLAB中既没有类似数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)的死区单元，也没有让驱动信号直接置0或置1的功能，只能通过逻辑运算来完成，因此，其补偿过程与DSP补偿过程有所不同，但结果相同，图5即为无效器件A相补偿框图。

图5 无效器件A相补偿框图

2.2.2 管压降补偿

考虑开关器件非理想特性，根据前文考虑管压降的死区分析，讨论管压降引起的电压误差。

由式(6)、(7)只考虑开关管固有特性可得:

(1)当电流i＞0时，

(2)当电流i＜0时，

对开关固有特性进行补偿，采用与电流反馈相同的补偿方法，如图5所示。实际补偿值为

式中:Ue′为由式(9)或式(10)决定的误差值。

3 仿真比较

为了便于对比结果，仿真中使用三个完全相同的异步电动机，但其驱动信号各不相同，第一台电机采用无补偿的加入死区的驱动信号驱动;第二台电机的逆变器采用第一种补偿方法补偿后的驱动信号;第三台电机的逆变器采用第二种补偿方法补偿后的驱动信号。系统的参数设置如下:PWM逆变器输出频率为60 Hz，载波频率6 kHz，调制系数0.9，死区时间10 μs，逆变器直流侧电压600 V。电机选用三相笼型异步电机，额定容量为3 kVA，额定电压300 V，额定频率60 Hz，定子电阻0.019 65 Ω，定子漏感0.039 7 H，转子电阻0.019 09 Ω，转子漏感0.039 7 H，定子绕组互感1.354 H，转动惯量0.095 26 kg·m2，粘滞摩擦系数0.054 79 N·m·s，极对数为2，电机带负载运行。

图6是采用两种补偿方式后的电流波形的对比，图7是两种补偿方法的电磁转矩对比，图8是采用两种方法的转速对比。图9～11是未补偿和采用这两种补偿方法补偿后的定子电流谐波FFT分析图。

图6 输出电流波形对比

图7 电磁转矩对比

图8 电机转速对比

图9 未补偿时的电流谐波分析THD=8.74%

图10 第一种方法补偿后的电流谐波分析THD=6.06%

图11 第二种方法补偿后的电流谐波分析THD=3.94%

由图6～8未补偿和补偿后的对比图可得，对死区进行补偿使定子电流、电磁转矩、电机转速的波形得到明显改善。图6～8中的图(b)是采用方法一电流反馈死区补偿方法进行补偿后的波形，可以看出当死区补偿值与理论计算值(按式(8)计算)一致时，死区效应能够明显得到改善。图6～8中的图(c)是采用第二种方法基于电流反馈和无效器件相结合的死区补偿方法进行补偿后的波形，可以看到该方法能够更好地补偿，这一点也可以从图9～11看出来，不带死区补偿总谐波失真 (TotalHarmonicDistortion，THD)为8.74%，用方法1补偿后THD为6.06%，用方法2补偿后的THD为3.94%。在两种方法补偿中都考虑了开关器件的固有特性。

通过以上仿真结果可以看出，对死区进行补偿后，能明显改善电机定子电流波形，其中方法2的补偿效果要比方法1好，另外用方法2补偿后的电机转矩脉动明显改善，转速也明显平稳。

从上述仿真结果可看出，电流反馈型补偿方法，以及基于电流反馈和无效器件相结合的死区补偿方法都能够明显削弱死区效应的影响，提高系统的性能。但电流反馈型补偿方法在实际应用中需准确无误地检测三相电流的极性，考虑零电流钳位的影响，检测三相电流的极性存在着滞后性和误检测，所以影响补偿效果，另外需要离线测量死区设定时间，来计算出相应的死区补偿值。基于电流反馈和无效器件相结合的死区补偿方法是基于DSP的死区补偿方法，这里仅在MATLAB中对其仿真效果进行仿真研究。该方法通过检测电流方向，然后根据电流方向判断有效器件，对DSP比较寄存器的值作修改，保证有效器件的开通时间，从而起到补偿效果。由于该方法只是在原驱动信号的基础上加以补偿，因此在零区域不会使逆变器输出波形产生畸变，能够达到更好的补偿效果。

4 结 语

(1)当考虑死区的同时考虑到开关管的通态压降和开关时间的影响时，产生误差电压不只与输出电流的极性有关，还与输出电流的大小和调制波的大小有关。

(2)死区效应及开关管的固有特性给输出电压、电流造成严重的波形畸变和基波电压损失，而且所产生的低次谐波会造成电机转矩脉动，并严重影响整个系统的稳定性。

(3)死区补偿的方法很多，文中对两种补偿方法进行具体仿真研究，电流反馈补偿以及基于电流反馈和无效器件相结合的补偿方式，两种补偿方法都需要对负载电流进行检测，但是第二种补偿方法是基于DSP的死区补偿方式，文中在MATLAB/Simulink中对其仿真效果进行了仿真研究。可以看到其补偿效果要比方法1好。

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