死区对开环和闭环控制SPWM逆变器输出基波电压的影响比较

陈良亮 洪福斌

(国网电力科学研究院，南京 210003)

0 引言

在单相或三相桥式SPWM逆变器中，需要按照一定的控制规律调节IGBT等功率管的导通和关断时间，以保证输出电压或者电流满足要求。为了避免同一桥臂的上下两只功率开关管发生直通故障损坏，一般需要在开关管的控制信号中人为设定一定的死区时间。延长死区时间对于避免桥臂直通故障有良好效果，但也带来了输出基波电压幅值减小、谐波电压幅值增加的缺点，影响了逆变器的稳态和动态性能，增加了谐波抑制的难度。对于变频器负载，还会引起电机发热等不利后果［1－2］。

部分文献利用仿真和理论分析等手段对死区时间对SPWM逆变器输出电压的影响进行了研究，提出了一些补偿控制策略以减轻死区时间对逆变器输出电压的影响［2－6］。上述文献主要是从微观的角度对死区效应问题进行研究。本文则通过建立SPWM逆变器无死区时间和有死区时间的平均值模型，推导出了SPWM逆变器输出基波电压与死区时间等关键参数之间的表达式。然后利用该表达式，分析和比较了死区时间对开环以及采用瞬时输出电压反馈控制技术的闭环SPWM逆变器输出基波电压的影响，发现死区时间对闭环SPWM逆变器的影响与开环SPWM逆变器有较大差别，最后用仿真结果证明对本文的理论分析进行了验证。

1 考虑死区时间的SPWM逆变器建模与分析

本文研究的SPWM逆变器主电路采用全桥结构，其主电路和工作原理分别如图1和图2所示所示。其中，ILf是逆变器输出滤波电感电流，Ur是逆变器基准正弦电压信号，Uf是逆变器输出电压反馈信号，Ue是经过比例积分运算后得到的电压误差信号，UΔ是三角载波幅值，fΔ是三角载波频率，Uab是逆变桥臂中点电压，Uo是逆变器输出电压。

研究结果表明［7］，死区效应造成的谐波基波电压UΔ1的有效值仅仅与死区时间、三角载波周期和直流母线电压有关，谐波基波电压相位与滤波电感电流的相位相反。对于图1和图2，设G0(s)为电压调节器传递函数，G1(s)为输出滤波器和负载的等效传递函数，G2(s)～G4(s)是谐波电压对应的等效传递函数，Kvf为逆变器输出电压反馈系数，KC=Udc/UΔ。若只考虑理想调制波和谐波的基波电压对逆变器输出电压的影响，可以得到考虑死区效应时SPWM逆变器结构框图如图3所示。其中θ是电感电流相角。

图3 考虑谐波基波电压时闭环SPWM逆变器结构框图

设逆变器负载为线性负载，其阻抗模值和和功率因数角分别为|ZL|和φ，逆变器输出滤波电感和滤波电容分别为Lf和Cf，SPWM逆变器闭环传递函数为

式中T0～T2、P0～P4是与逆变器控制电路和负载有关的参数。鉴于其表达式比较复杂，本文不再给出。

设Ur和Uo分别是逆变器基准正弦波和输出电压有效值，对式(1)两边求模值可得

分析公式(2)可知，当负载等参数确定时，上式中只有逆变器输出电压有效值是未知量。尽管上述方程比较复杂，但是利用数学工具软件MATHCAD仍然可以方便地求解出任意线性负载阻抗对应的输出电压有效值。如果将上式中的|ZL|用Uo/Io代入，则可以求出任意负载电流时输出电压有效值。

2 死区间对开环和闭环控制SPWM逆变器输出电压的影响

本文研究的SPWM逆变器主要参数如下

输入电压:Uin=220VDC，输出电压:Uo=110V/50Hz，额定输出电流:Io=14A，输出滤波电感:Lf=1.84mH，输出滤波电容:Cf=40μF，三角载波频率:fΔ=10kHz，三角载波幅值:UΔ=8.0V，比例系数:Kp=8.226，积分系数:KI=3225.8，K0=0.0062

根据公式(2)，令Kvf可得开环SPWM逆变器不同阻性负载时逆变器输出基波电压随死区时间变化曲线如图4(a)所示，基于Saber软件的仿真结果如图4(b)所示。比较图4(a)与图4(b)可以看出，对于开环控制SPWM逆变器，无论何种负载，逆变器输出基波电压都随着死区时间的增加而迅速下降，这也与相关文献的分析结果是一致的［2－4］。

根据公式(2)，令Kvf(闭环控制额定参数)，可得单电压闭环控制SPWM逆变器不同负载时逆变器输出基波电压随死区时间变化曲线如图5(a)所示，Saber仿真结果如图5(b)所示。理论分析和仿真结果表明，逆变器空载(RL=∞)时，随着死区时间的增加，逆变器输出电压反而增加，这与开环工作的SPWM有显著差别［1］。随着负载阻抗的减小，逆变器输出电压有效值随死区时间增加而增加的值逐渐减小，在逆变器负载电阻为某一临界值(RLC=80Ω)时，死区时间几乎不影响逆变器输出电压。当逆变器负载电阻小于临界电阻且为某一常值时，逆变器输出电压随着死区时间增加而减小。此外，比较图4和图5还可看出，采取闭环控制措施后，死区时间对逆变器输出基波电压的影响显著减小，说明采用瞬时输出电压反馈控制可有效降低逆变桥臂死区时间对逆变器输出电压的影响。

图6(a)给出了开环控制情况下，死区时间为0和死区时间为12μs时的SPWM逆变器输出电压仿真波形。分析图中不同死区时间对应的逆变器输出电压波形可以看出，死区时间为0时，逆变器输出电压的THD很低，其有效值基本上不受负载的影响。随着死区时间的增加，逆变器输出电压THD迅速增加，其有效值随负载增加而迅速下降，必须采取相应的死区补偿措施才能使逆变器输出电压满足要求。图6(b)给出了闭环控制SPWM逆变器不同死区时间对应的输出电压仿真波形。分析波形可以看出，采取闭环控制措施后，逆变器输出电压有效值受死区时间和负载的影响相对开环控制而言迅速减小。

图6 R=20Ω时不同控制方式和死区时间对应逆变器输出电压仿真波形

3 结论

本文研究和比较了死区时间对开环控制与采用瞬时输出电压反馈控制的SPWM逆变器输出电压的影响，并通过仿真进行了验证。由本文的研究结果可以得出如下结论:

(1)对于开环控制SPWM逆变器，其输出电压随着死区时间的增加而迅速下降，输出谐波电压含量随着死区时间增加迅速增加。负载电阻越小，相同死区时间变化对逆变器输出电压的影响越大;此时，必须采取相应的死区补偿措施以消除死区时间的影响;

(2)采用电压瞬时反馈闭环控制后，死区时间对SPWM逆变器输出电压有效值和输出谐波电压含量的影响迅速减小。在要求不高的场合可不必考虑死区效应的影响。

［1］ 陈良亮，丁志刚，曾忠，严仰光.闭环SPWM逆变器死去时间对输出基波电压的影响［J］.电机与控制学报，2006，10(5):487－491.

［2］ 李剑，康勇，陈坚.单相SPWM逆变器的死区效应分析和补偿策略［J］.电气传动，2003(1):12－17.

［3］ CHOI J.S，YOO J.Y，LIM S.W，KIM Y.S.A novel dead time minimization algorithm of the PWM inverter［C］.Proceedings of 34th Annual Meeting of the IEEE Industry Applications，1999:2188－2193.

［4］ 程曙，徐国卿，许哲雄.SPWM逆变器死区效应分析［J］.电力系统及其自动化，2002，14(2):39－42.

［5］ MUNOZ A.R，LIPO T.A.On-line dead-time compensation technique for open-loop PWM-VSI drives ［J］.IEEE Trans.Power Electron.，1999，14(4):683－689.

［6］ EVANS P.D，CLOSE P.R.Harmonic distortion in PWM inverter output waveforms［J］.IEE Proc，B，1987，134(4):224－232.

［7］ 谢力华.逆变电源的数字控制技术及其并联控制策略的研究［D］.西安交通大学博士学位论文，2001