正弦脈寬調制逆變器死區典型補償策略*

王明渝， 王 磊

(重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400040)

0 引言

電力電子技術的發展極大地促進了脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)電壓型逆變器的應用［1］。逆變器輸出電壓波形的質量顯得尤為重要。理想的電壓波形通常為純正弦波，但實際上存在著很多因素使輸出波形畸變。其中一個重要的畸變因素是同一橋臂上、下兩個器件在開關過程中必有一個死區時間Td，以防止橋臂直通短路;另外一些因素如開關器件的導通壓降、開關時間等。每個PWM周期內引起的微小畸變經積累后，會引起輸出電壓波形較大的畸變，降低基波幅值，增加低次諧波含量，增加電機的諧波損耗等。因此，尋求一種簡便、有效的死區時間補償方案很有必要。

當前對逆變器死區的研究主要集中于電壓前饋和電流反饋補償，文獻［1］提出了一種電流反饋的死區補償方法，該方法簡單易行，但是需要準確知道直流側電壓、PWM載波頻率、死區時間，以確定死區補償值;并且沒有對功率器件的導通壓降進行補償，因此存在補償誤差。文獻［2-3］提出基于永磁同步電機交流伺服系統采用干擾觀測器的方法，對逆變器的死區效應進行在線死區補償，該方法由于干擾觀測器的設置，補償電壓存在相位滯后，同時干擾觀測器的增益選擇需要一定的經驗。文獻［4］采用預測電流控制來降低逆變器死區所導致的零點電流鉗位問題，系統為局部穩定系統。文獻［5］引入死區補償時間來補償死區效應，死區補償時間包含了導通時間、關斷時間和導通壓降，但由于死區補償時間未知，并且隨工作點的不同而發生變化，因此需要在線辨識，固定的死區補償有時會使得補償誤差加大。文獻［6］提出了基于電流反饋和無效器件相結合的死區補償方法，該方法軟、硬件結合，電流方法確定有效器件且保證有效器件的開通時間，給無效器件仍然送驅動信號，可以達到有效的補償效果。

為改善逆變器的輸出波形，本文對典型死區補償方法的原理進行了具體分析，并對其進行了仿真。仿真結果表明了所提出方法的有效性和可行性，同時通過比較兩種補償方法的仿真結果，得出兩種補償方法的優劣。研究對于提高和改善變頻調速系統的性能，以及對死區問題的分析有很好的借鑒意義。

1 死區效應分析

三相全橋正弦脈寬調制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)逆變器的主電路結構如圖1所示，其控制電路一般采用雙極性SPWM技術。

圖1 帶異步電機的三相PWM逆變器

在傳統的死區效應分析中，并不考慮開關管的固有特性(通態管壓降和開關時間)的影響。若考慮開關管固有特性［7］的影響，死區效應如圖2所示。

［7］以IGBT為例，設開通時間為ton，關斷時間為 toff，IGBT的導通壓降為 Usat，二極管的導通壓降為Ud，正弦波給定信號幅值為U*。以電流ia流向電機為正方向，在一個開關周期內取平均值進行分析。

圖2 考慮開關特性的逆變器死區效應波形圖

(1)當電流i＞0時，若D2導通:

若S1導通:

(2)當電流i＜0時，同理可推出:

因此，當考慮到開關管的通態壓降和開關時間的影響時，誤差電壓不只與輸出電流的極性有關，還與輸出電流的大小和調制波的大小有關。

通過以上推導，本文在考慮死區補償的同時對管壓降等進行補償考慮，對兩種典型的死區補償方案進行仿真，并比較其優缺點。

2 死區補償方案

死區補償方法多種多樣，但從具體實現來說，有的采用硬件、有的采用軟件、有的采用軟硬件結合的方法，因此從中選擇具有代表性的電流反饋補償方法，以及基于電流反饋和無效器件相結合的補償方法進行具體研究。

2.1 電流反饋死區補償法

文獻［1］提出的電流反饋型死區補償原理是通過檢測三相電流的極性來確定死區的補償電壓。即:需要檢測相電流的極性，并將其變成方波電壓，加到每相的調制波上，該方波電壓使逆變器產生一個與電流相位相同、與誤差波形相似的補償電壓。電流反饋型死區補償方法的原理框圖如圖3所示，由此來建立MATLAB仿真圖進行仿真研究。

圖3 電流反饋補償原理框圖

圖4是電流反饋死區補償的補償模塊。造成逆變器輸出波形畸變的原因除了死區效應外，開關器件的非理想特性(如導通壓降、開關延遲等)也會使逆變器的輸出波形產生畸變，文獻［1］沒有考慮開關管固有特性的影響。

圖4 電流反饋補償的補償模塊圖

根據前文分析，在補償中對開關管固有特性同時進行補償，實際補償值為

其中:2Udc/π是由PWM法調制的輸出電壓進行傅里葉分解得到的基波幅值電壓;Ue為由式(6)或式(7)決定的死區誤差值。

2.2 基于無效器件補償方法

2.2.1 死區補償原理分析

文獻［6］提出了基于電流反饋和無效器件相結合的死區補償方式，該方法首先檢測逆變器輸出的電流方向，再根據電流方法確定有效器件且保證有效器件的開通時間，該方法是在原驅動信號的基礎上加以補償，給無效器件仍送驅動信號。

由于在MATLAB中既沒有類似數字信號處理器(Digital Signal Processing，DSP)的死區單元，也沒有讓驅動信號直接置0或置1的功能，只能通過邏輯運算來完成，因此，其補償過程與DSP補償過程有所不同，但結果相同，圖5即為無效器件A相補償框圖。

圖5 無效器件A相補償框圖

2.2.2 管壓降補償

考慮開關器件非理想特性，根據前文考慮管壓降的死區分析，討論管壓降引起的電壓誤差。

由式(6)、(7)只考慮開關管固有特性可得:

(1)當電流i＞0時，

(2)當電流i＜0時，

對開關固有特性進行補償，采用與電流反饋相同的補償方法，如圖5所示。實際補償值為

式中:Ue′為由式(9)或式(10)決定的誤差值。

3 仿真比較

為了便于對比結果，仿真中使用三個完全相同的異步電動機，但其驅動信號各不相同，第一臺電機采用無補償的加入死區的驅動信號驅動;第二臺電機的逆變器采用第一種補償方法補償后的驅動信號;第三臺電機的逆變器采用第二種補償方法補償后的驅動信號。系統的參數設置如下:PWM逆變器輸出頻率為60 Hz，載波頻率6 kHz，調制系數0.9，死區時間10 μs，逆變器直流側電壓600 V。電機選用三相籠型異步電機，額定容量為3 kVA，額定電壓300 V，額定頻率60 Hz，定子電阻0.019 65 Ω，定子漏感0.039 7 H，轉子電阻0.019 09 Ω，轉子漏感0.039 7 H，定子繞組互感1.354 H，轉動慣量0.095 26 kg·m2，粘滯摩擦系數0.054 79 N·m·s，極對數為2，電機帶負載運行。

圖6是采用兩種補償方式后的電流波形的對比，圖7是兩種補償方法的電磁轉矩對比，圖8是采用兩種方法的轉速對比。圖9～11是未補償和采用這兩種補償方法補償后的定子電流諧波FFT分析圖。

圖6 輸出電流波形對比

圖7 電磁轉矩對比

圖8 電機轉速對比

圖9 未補償時的電流諧波分析THD=8.74%

圖10 第一種方法補償后的電流諧波分析THD=6.06%

圖11 第二種方法補償后的電流諧波分析THD=3.94%

由圖6～8未補償和補償后的對比圖可得，對死區進行補償使定子電流、電磁轉矩、電機轉速的波形得到明顯改善。圖6～8中的圖(b)是采用方法一電流反饋死區補償方法進行補償后的波形，可以看出當死區補償值與理論計算值(按式(8)計算)一致時，死區效應能夠明顯得到改善。圖6～8中的圖(c)是采用第二種方法基于電流反饋和無效器件相結合的死區補償方法進行補償后的波形，可以看到該方法能夠更好地補償，這一點也可以從圖9～11看出來，不帶死區補償總諧波失真 (TotalHarmonicDistortion，THD)為8.74%，用方法1補償后THD為6.06%，用方法2補償后的THD為3.94%。在兩種方法補償中都考慮了開關器件的固有特性。

通過以上仿真結果可以看出，對死區進行補償后，能明顯改善電機定子電流波形，其中方法2的補償效果要比方法1好，另外用方法2補償后的電機轉矩脈動明顯改善，轉速也明顯平穩。

從上述仿真結果可看出，電流反饋型補償方法，以及基于電流反饋和無效器件相結合的死區補償方法都能夠明顯削弱死區效應的影響，提高系統的性能。但電流反饋型補償方法在實際應用中需準確無誤地檢測三相電流的極性，考慮零電流鉗位的影響，檢測三相電流的極性存在著滯后性和誤檢測，所以影響補償效果，另外需要離線測量死區設定時間，來計算出相應的死區補償值。基于電流反饋和無效器件相結合的死區補償方法是基于DSP的死區補償方法，這里僅在MATLAB中對其仿真效果進行仿真研究。該方法通過檢測電流方向，然后根據電流方向判斷有效器件，對DSP比較寄存器的值作修改，保證有效器件的開通時間，從而起到補償效果。由于該方法只是在原驅動信號的基礎上加以補償，因此在零區域不會使逆變器輸出波形產生畸變，能夠達到更好的補償效果。

4 結 語

(1)當考慮死區的同時考慮到開關管的通態壓降和開關時間的影響時，產生誤差電壓不只與輸出電流的極性有關，還與輸出電流的大小和調制波的大小有關。

(2)死區效應及開關管的固有特性給輸出電壓、電流造成嚴重的波形畸變和基波電壓損失，而且所產生的低次諧波會造成電機轉矩脈動，并嚴重影響整個系統的穩定性。

(3)死區補償的方法很多，文中對兩種補償方法進行具體仿真研究，電流反饋補償以及基于電流反饋和無效器件相結合的補償方式，兩種補償方法都需要對負載電流進行檢測，但是第二種補償方法是基于DSP的死區補償方式，文中在MATLAB/Simulink中對其仿真效果進行了仿真研究。可以看到其補償效果要比方法1好。

【參考文獻】

［1］劉陵順，張勇.PWM逆變器死區效應的檢測與補償［J］.電測與儀表，2001(6):35-36.

［2］Urasaki N，Senjyu T，UezatoK.On-line dead-time compensation method for permanent magnet synchronous motor［J］.IEEE International Conference on Industrial Technology，2002(1):268-273.

［3］Hyun-Soo，Kim Hyung-Tae Moon，Myung-Joong Youn.On-line dead-time compensation method using disturbance observer［J］.IEEE Transactions on power electronics，2003，18(6):1336-1345.

［4］Summers T，Betz R.Dead-time issues in predictive current control［C］∥IEEE IAS Annu Conf Rec，2002:2086-2093.

［5］Choi J，Sul S.Inverter output voltage synthesis using novel dead time compensation［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1996，11(2):221-227.

［6］張永峰.DSP控制SPWM逆變器死區問題的研究［D］.合肥:合肥工業大學，2007.

［7］段善旭，孫朝輝，張凱，等.基于重復控制的SPWM逆變電源死區效應補償技術［J］.電工技術學報，2004(2):52-57.

［8］李劍，康勇，陳堅.單相SPWM逆變器的死區效應分析與補償策略［J］.電氣傳動，2003:112-117.

［9］張濤，張強，李良辰.逆變器中死區效應及其補償策略分析［J］.信息技術，2003(11):70-71.

［10］Leggate D，Kerkman R J.Pulse-based dead-time compensator for PWM voltage inverters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，44(2):191-197.

［11］陳惠榮.逆變器死區效應機理和典型補償方式的研究［D］.天津:天津大學，2006.