死区时间对三相SPWM 逆变器输出电压低次谐波影响的分析

巩瑞春 申 长

（包头师范学院信息科学与技术学院，内蒙古 包头014030）

1 SPWM 技术及三相SPWM 逆变器基本原理简介

SPWM(Sinusoidal PWM)，即正弦脉冲宽度调制技术， 其控制的理论基础是面积等效原理， 即用等幅不等宽的矩形脉冲等效代替正弦波，使其面积相等，这样便可得到一串脉冲高度不变、但宽度按正弦规律变化的脉冲序列，称为SPWM 波形。

三相SPWM 逆变器把希望输出的频率相同， 相位互差120°的正弦波作为调制信号，运用公共等腰三角波作为载波，在每相交点时刻控制开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号幅值的脉冲。

2 三相SPWM 逆变电路的MATLAB 仿真

2.1 三相SPWM 逆变器的MATLAB/SIMULINK 仿真模型图

图1 为三相桥式SPWM 逆变器的仿真模型图，图中Ud 为直流侧电源， 载波信号由周期为7500Hz 的三角波构成， 信号波由周期为500Hz， 相位互差120°的正弦波构成。 逆变器主电路通过六个IGBT/Diode 开关构成，由SPWM PULSE 提供驱动信号，最终通过电压测量模块测出U、V、W 相的电压。

图1 三相SPWM 逆变器的仿真模型图

2.2 理想状态下三相SPWM 逆变器的频谱分析

理想状态下三相SPWM 桥式逆变器的频谱如图2 所示，Fundamental(500)=45，THD=79.68%，从这图中可以看出，理想情况下，逆变器输出电压几乎不含低次谐波分量。

图2 三相SPWM 桥式逆变器输出电压频谱柱状图

3 死区时间对三相SPWM 逆变器低次谐波的影响

在逆变器输出中，为了防止同一相的上下两个桥臂直通，需加入几微秒的死区时间。 虽然死区时间很短，单个脉冲不足以影响系统性能，但连续一个周期的死区效应积累却会使输出电压含有很大谐波分量，电流波形发生畸变。

对于逆变电路来说， 注入死区时间的方式采用双边对称方式设置，使欲关断的功率管比理想波形提前Td/2 关断，欲开通的功率管比理想波形延迟Td/2 开通。

3.1 死区时间对输出谐波的影响

对理想的SPWM 逆变器来说， 其输出电压中几乎不存在低次谐波，只有与载波比有关的谐波，但由于死区的存在，使SPWM 逆变器输出不能精确地复现控制信号的波形，必然产生新的谐波，带来一系列的谐波电压分量， 低次谐波的幅值会随死区时间的增加而增加，这些将引起输出电压波形发生较大的畸变。 谐波的存在，不仅造成功率因数降低，影响效率而且还可能引起逆变器自身以及其他设备的工作失调。

将线电压UUV展开成傅里叶级数得：

由上式可以看出， 在三相SPWM 桥式逆变电路中不存在3 次谐波，以及3 的整数倍次谐波。

3.2 不同死区时间的MATLAB/SIMULINK 仿真

在生成SPWM 驱动信号模块中设定死区时间， 实现不同死区时间下的不同输出电压频谱，其死区时间为3us 时频谱图如图4 所示。

图3 死区时间为3us 时的输出电压频谱图

改变死区时间仿真分析，可总结如表1 所示。

由表1 可知，随着死区时间的增加，各低次谐波含量总体逐渐增大，总谐波畸变率逐渐增高。

4 结论

通过MATLAB/SIMULINK 仿真可知，在理想状态下，三相SPWM逆变器的输出电压不含低次谐波， 仅含有与载波相关的高次谐波；加入死区时间后，逆变器的输出电压中会增加奇次的低次谐波，这些低次谐波含量会随着死区时间的增加而增大， 输出电压基波幅值减小，总谐波畸变率增高，并且不含有3 次及3 的整数倍的低次谐波。

表1 不同死区时间对逆变器输出结果的影响数据

［1］王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5 版.北京：机械工业出版社，2009.

［2］巩瑞春，刘晓虹.单相SPWM 逆变器输出电压频谱分析研究[J].阴山学刊，2012，3.

［3］巩瑞春，刘晓虹.三相SPWM 逆变器输出电压频谱分析研究[J].硅谷，2012，10（上）.