电压型逆变器死区效应分析及新型补偿方法

杨 爽，韦忠朝，高信迈

（华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

0 引 言

电力电子电路中开关器件有两种工作状态:通态和断态；有两种过渡过程:开通和关断过程。一般而言，电压控制驱动型全控器件的关断时间大于开通时间。为避免桥臂直通短路，同一桥臂的上下两个开关管不能同时处于导通状态。所以常常插入一段死区时间。死区时间、开关管的过渡时间、管压降共同造成逆变器输出电压波形有较大的畸变。尤其在低频和调制度很高或很低的时候，死区会使输出电压含有很大谐波分量，电流波形发生畸变，产生转矩脉动等。这也是造成变频变压控制的通用逆变器带小负载能力差、电机产生抖动、稳定性不好的重要原因之一。尤其是SPWM调制深度越小，输出电压基波有效值越小，稳定性更差。而小调制深度对应于电动机的低频轻载运行情况，死区也就直接影响到电动机控制系统调速范围的扩展和定位精度的提高。因此对逆变器进行死区补偿是非常有必要的。

本文对电压型逆变器的死区效应进行了具体分析，并提出一种新型的死区补偿方法。这种补偿方法在无刷双馈变频发电系统中获得很好的效果，也验证了这种方法的可行性。

1 原理与设计

1.1 死区效应分析

图1是电压型逆变器通用拓扑电路。同一桥臂上下两个开关管互补通、断，如α相桥臂上管VT1导通时，下管VT2截止；VT2导通时，VT1截止。当VT1（VD1）导通时，节点α接于直流电源正端，Uan＝Ud／2；当VT2（VD2）导通时，节点α接于直流电源负端，Uan＝－Ud／2；同理，b点和c点也是根据上、下管导通情况决定其电位。

图1 电压源型逆变器主电路

图2（a）所示波形是理想的上下桥臂触发脉冲，图2（b）是加入死区时间td后上下桥臂触发脉冲。在死区效应分析中，必须要考虑开关管的固有特性:通态管压降和开通、关断时间的影响。图2（c）和图2（d）是考虑开关管固有特性后的实际SPWM波形。

以电压型控制驱动全控器件IGBT为例，设开通时间为ton，关断时间为toff，通态压降为Uvt，断态等效电阻为无穷大，二极管的管压降为Ud。规定α相电流流向负载时为正方向。

由图2（c）可知，上桥臂的有效导通时间为t2－t1＋toff－ton－td，引起死区效应的时间误差为:te＝toffton－td。以α相电流正负情况对逆变器输出电压进行分析。

当电流ia＞0时，即电流流向负载，此时有两种电流流通路径:

（1）开关管VT1导通，

（2）开关管VT1截止，电流通过二极管VD2续流，

图2 逆变器死区效应波形图

则在一个开关周期T内输出电压的平均值为:

逆变器在一个开关周期内理想的输出电压平均值为:

由死区效应引起的输出电压降为:

当电流ia＜0时，同理可以推出:

由式（5）、式（6）可以看出，需要补偿的误差电压的极性与三相电流极性相同。死区效应引起的逆变器输出电压的误差和电流的方向、加入的死区时间有关，还和开关管的通态压降及开通、关断时间有关。

死区时间、开关管的非理想特性使输出电压出现畸变，降低了调速系统的动、静态性能。因此对高性能的逆变器，必须对死区效应进行补偿。

1.2 基于电流极性的电流空间矢量死区补偿方法

传统的死区补偿方法主要是对死区误差进行电压补偿，或者对损失的PWM脉冲宽度在软件上进行时间的补偿，使实际的开通时间与理想导通时间相一致。这些方法一般都需要检测负载电流的极性，以其过零点作为补偿电压信号的切换时刻。通常的检测方法是对负载电流进行滤波处理，但滤波环节的引入却带来了检测信号的滞后问题。另外电流在过零点时会产生“零点箝位”，尤其是当输出交流电压频率越低时，SPWM调制深度越小，零点检测将会变得更加困难。因此提高电流过零点检测的精度对死区补偿至关重要。

为了有效准确地判断三相电流的极性，可采用坐标变换的方法。取a相为α坐标轴，θ为电流与α坐标轴的夹角，如图3所示。

图3 电流变换矢量图

将整个周期划分为6个扇区，根据θ角所在扇区就可以判断出三相电流的极性，如表1所示。

表1 不同扇区三相电流的极性

表1中，相电流为正取补偿信号为1，即补偿误差电压Ue；电流为负时取补偿信号为0，此时补偿误差电压－Ue。同一桥臂死区补偿方法如图4所示。

图4 死区补偿原理框图

根据不同的补偿指令，变成方波电压，加到每相的调制波U＊上，这个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。该补偿电压可以消除由死区时间、开关管非理想特性引起的死区效应。

2 实 验

实验主电路为由IGBT构成的三相电压型逆变器，开关频率为5.6kHz。IGBT选择FF300R12KE3＿B2晶体管，开通时间为ton＝0.12μs，关断时间为toff＝0.49μs，通态压降为Uvt＝1.6V，二极管的管压降为Ud＝1.5V。图5是无刷双馈变频发电系统中死区补偿方案的控制框图。

图5 系统死区补偿方案控制框图

图6是无刷双馈变频发电系统中应用上述死区补偿方法前后的实验波形。图6（a）、（b）、（c）、（d）左右侧分别为电机运行在2.5Hz、5Hz、10Hz、15Hz时补偿前后的电流，可以明显地看出该方法能够较好地改善逆变器低频输出电流波形的正弦度，减小电流谐波含量，使电动机在低频情况下运行更加平稳。逆变器输出电流频率增大时，PWM调制深度增大，死区效应相对减小。

实验结果表明，该补偿策略对由死区时间和开关器件的非理想特性造成的电压畸变有很好的补偿效果。

图6 实验电流检测波形

3 结 论

本文针对电压型逆变器由于死区时间、开关管非理想特性引起的死区效应进行了具体分析，并计算了误差电压。根据误差电压，提出了基于电流空间矢量判断电流极性的补偿方法。由于该方法只是在原驱动信号的基础上加以补偿，因而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。实际电机实验结果表明该方法能够显著地提高逆变器输出电流波形的质量，也表明了这种方法在死区补偿上的实用性。

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