電壓型逆變器死區效應分析及新型補償方法

楊 爽，韋忠朝，高信邁

（華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

電力電子電路中開關器件有兩種工作狀態:通態和斷態；有兩種過渡過程:開通和關斷過程。一般而言，電壓控制驅動型全控器件的關斷時間大于開通時間。為避免橋臂直通短路，同一橋臂的上下兩個開關管不能同時處于導通狀態。所以常常插入一段死區時間。死區時間、開關管的過渡時間、管壓降共同造成逆變器輸出電壓波形有較大的畸變。尤其在低頻和調制度很高或很低的時候，死區會使輸出電壓含有很大諧波分量，電流波形發生畸變，產生轉矩脈動等。這也是造成變頻變壓控制的通用逆變器帶小負載能力差、電機產生抖動、穩定性不好的重要原因之一。尤其是SPWM調制深度越小，輸出電壓基波有效值越小，穩定性更差。而小調制深度對應于電動機的低頻輕載運行情況，死區也就直接影響到電動機控制系統調速范圍的擴展和定位精度的提高。因此對逆變器進行死區補償是非常有必要的。

本文對電壓型逆變器的死區效應進行了具體分析，并提出一種新型的死區補償方法。這種補償方法在無刷雙饋變頻發電系統中獲得很好的效果，也驗證了這種方法的可行性。

1 原理與設計

1.1 死區效應分析

圖1是電壓型逆變器通用拓撲電路。同一橋臂上下兩個開關管互補通、斷，如α相橋臂上管VT1導通時，下管VT2截止；VT2導通時，VT1截止。當VT1（VD1）導通時，節點α接于直流電源正端，Uan＝Ud／2；當VT2（VD2）導通時，節點α接于直流電源負端，Uan＝－Ud／2；同理，b點和c點也是根據上、下管導通情況決定其電位。

圖1 電壓源型逆變器主電路

圖2（a）所示波形是理想的上下橋臂觸發脈沖，圖2（b）是加入死區時間td后上下橋臂觸發脈沖。在死區效應分析中，必須要考慮開關管的固有特性:通態管壓降和開通、關斷時間的影響。圖2（c）和圖2（d）是考慮開關管固有特性后的實際SPWM波形。

以電壓型控制驅動全控器件IGBT為例，設開通時間為ton，關斷時間為toff，通態壓降為Uvt，斷態等效電阻為無窮大，二極管的管壓降為Ud。規定α相電流流向負載時為正方向。

由圖2（c）可知，上橋臂的有效導通時間為t2－t1＋toff－ton－td，引起死區效應的時間誤差為:te＝toffton－td。以α相電流正負情況對逆變器輸出電壓進行分析。

當電流ia＞0時，即電流流向負載，此時有兩種電流流通路徑:

（1）開關管VT1導通，

（2）開關管VT1截止，電流通過二極管VD2續流，

圖2 逆變器死區效應波形圖

則在一個開關周期T內輸出電壓的平均值為:

逆變器在一個開關周期內理想的輸出電壓平均值為:

由死區效應引起的輸出電壓降為:

當電流ia＜0時，同理可以推出:

由式（5）、式（6）可以看出，需要補償的誤差電壓的極性與三相電流極性相同。死區效應引起的逆變器輸出電壓的誤差和電流的方向、加入的死區時間有關，還和開關管的通態壓降及開通、關斷時間有關。

死區時間、開關管的非理想特性使輸出電壓出現畸變，降低了調速系統的動、靜態性能。因此對高性能的逆變器，必須對死區效應進行補償。

1.2 基于電流極性的電流空間矢量死區補償方法

傳統的死區補償方法主要是對死區誤差進行電壓補償，或者對損失的PWM脈沖寬度在軟件上進行時間的補償，使實際的開通時間與理想導通時間相一致。這些方法一般都需要檢測負載電流的極性，以其過零點作為補償電壓信號的切換時刻。通常的檢測方法是對負載電流進行濾波處理，但濾波環節的引入卻帶來了檢測信號的滯后問題。另外電流在過零點時會產生“零點箝位”，尤其是當輸出交流電壓頻率越低時，SPWM調制深度越小，零點檢測將會變得更加困難。因此提高電流過零點檢測的精度對死區補償至關重要。

為了有效準確地判斷三相電流的極性，可采用坐標變換的方法。取a相為α坐標軸，θ為電流與α坐標軸的夾角，如圖3所示。

圖3 電流變換矢量圖

將整個周期劃分為6個扇區，根據θ角所在扇區就可以判斷出三相電流的極性，如表1所示。

表1 不同扇區三相電流的極性

表1中，相電流為正取補償信號為1，即補償誤差電壓Ue；電流為負時取補償信號為0，此時補償誤差電壓－Ue。同一橋臂死區補償方法如圖4所示。

圖4 死區補償原理框圖

根據不同的補償指令，變成方波電壓，加到每相的調制波U＊上，這個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。該補償電壓可以消除由死區時間、開關管非理想特性引起的死區效應。

2 實 驗

實驗主電路為由IGBT構成的三相電壓型逆變器，開關頻率為5.6kHz。IGBT選擇FF300R12KE3＿B2晶體管，開通時間為ton＝0.12μs，關斷時間為toff＝0.49μs，通態壓降為Uvt＝1.6V，二極管的管壓降為Ud＝1.5V。圖5是無刷雙饋變頻發電系統中死區補償方案的控制框圖。

圖5 系統死區補償方案控制框圖

圖6是無刷雙饋變頻發電系統中應用上述死區補償方法前后的實驗波形。圖6（a）、（b）、（c）、（d）左右側分別為電機運行在2.5Hz、5Hz、10Hz、15Hz時補償前后的電流，可以明顯地看出該方法能夠較好地改善逆變器低頻輸出電流波形的正弦度，減小電流諧波含量，使電動機在低頻情況下運行更加平穩。逆變器輸出電流頻率增大時，PWM調制深度增大，死區效應相對減小。

實驗結果表明，該補償策略對由死區時間和開關器件的非理想特性造成的電壓畸變有很好的補償效果。

圖6 實驗電流檢測波形

3 結 論

本文針對電壓型逆變器由于死區時間、開關管非理想特性引起的死區效應進行了具體分析，并計算了誤差電壓。根據誤差電壓，提出了基于電流空間矢量判斷電流極性的補償方法。由于該方法只是在原驅動信號的基礎上加以補償，因而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。實際電機實驗結果表明該方法能夠顯著地提高逆變器輸出電流波形的質量，也表明了這種方法在死區補償上的實用性。

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