纯硬件开环电压型无死区半桥逆变器研究

汤定德

(江西科技学院机械工程学院，江西 南昌 330098)

0　引言

随着生活水平的提高、环境的变化和网络的普及，人们的生活和工作观念也在不断地发生变化，对自然环境的要求也越来越高。新能源发电具有节能、环保的优点。由于目前大部分用电设备仍采用交流供电，故新能源发电往往需使用逆变器。

逆变器是将直流电转换成交流电的装置。目前使用的逆变器以电压型居多。从经济性和便于维护的角度考虑，家用逆变器宜采用半桥逆变。但无论是半桥逆变器还是全桥逆变器，往往都会为了避免同一桥臂直通而设置死区时间。其死区时间应大于等于开关管的开通和关断时间的最大值，以防止因上下桥臂直通而产生短路[1]。然而，设置死区时间会造成输出电流波形畸变、低次谐波增加和基波电压损失，且随着输出频率的提高，死区时间对波形的影响越来越严重[2]。此外，三电平逆变器相对于两电平逆变器，其开关管的电压应力减少了50%，同时输出的滤波电感和电容值也相应减少[3-4]。为此，本文设计了一种纯硬件开环电压型无死区半桥三电平逆变器。

1　纯硬件无死区半桥逆变系统

开环电压型无死区半桥逆变器系统原理图如图1所示。

图1　系统原理图

开关管VT1与VT2采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)，位于同一桥臂。驱动信号采用单极性正弦脉宽调制 (sinusoidal pulse width modulation,SPWM)波，且VT1与VT2的驱动信号极性相反，这样能保证在基波的任一半周内始终只有一个开关管导通，有效避免了同一桥臂上下直通。直通只会出现在基波电压过零点，但由于IGBT允许一定的短路时间，故逆变器因此而损坏开关管IGBT纯属小概率事件。

随着新技术的发展，出现了越来越多符合电压滞后电流特性的容性负载，且由于容性电流和感性电流相位相反且相互抵消[5]，故总体负载多为纯阻性或呈现弱感性。因此，该电压型半桥逆变器能很好地满足诸如“乡居”小户型用电的要求。

1.1　IGBT通断分析

在逆变系统中，开关管(以SKM75GB124D型IGBT为例)对驱动电压有特殊的要求[6-7]。

①在导通之后，IGBT栅极的驱动电压和电流都应有足够的幅度。该幅度须能使IGBT的功率输出级始终处于饱和状态，且在IGBT突然过载时，能保证IGBT不会因此而被损坏。

②驱动电路提供给IGBT栅极的正向驱动电压值并非越高越好。因为负载短路过程中，IGBT的集电极电流将随着驱动电压值同向变化，且必须使IGBT所承受的短路电流脉宽变窄，否则20 V的浪涌电压会损坏IGBT。因此，在实际应用中，IGBT的栅-射极间驱动电压要取合适的值。试验证明，IGBT的驱动电压以10～15 V为最佳。

③在IGBT的关断过程中，应对栅-射极间施加一定的反向偏压，使IGBT快速关断，但反向偏压过大易造成栅-射极被反向击穿。故反向偏压也应取适当值，一般取为-10～-2 V。

根据IGBT(SKM75GB124D)相关资料，本文将电压控型器件IGBT的驱动和关断电压分别取+10 V和-10 V。

1.2　驱动信号

在不设置死区时间的情况下，为避免半桥逆变时同一桥臂上下直通，驱动信号必须为单极性SPWM波，如图2所示。

图2　单极性SPWM驱动信号波形

在图2中，单极性SPWM波的脉宽按虚线所示的低频正弦调制波(基波)电压大小进行变化，且在图1中的VT1导通过程中，VT2因承受幅值为10 V的反向偏压而可靠截止；反之亦然。在调制信号和高频载波信号同时过零点的特殊时刻，即驱动信号由+10 V跳变至-10 V(或反之)的瞬间，可能会因IGBT关断延时而出现同一桥臂直通现象，但这是小概率事件。另外，即使在最坏的情况下，IGBT也能承受10 μs的短路热应力[8]，这也是无需设置死区时间的另一个原因。

1.3　驱动信号产生电路

要得到如图2所示的SPWM驱动信号，可先采用传统方法得到双极性SPWM波，即由高频三角波和工频正弦波进行调制，经比较器产生双极性SPWM波；再由工频正弦波经过零比较器所得到的方波电压控制电压继电器，同时利用两个二极管的单向导电性以实现单极性SPWM信号输出。若此电路中使用的直流电源电压为±10 V且输出功率适当，则该SPWM信号即可作为如图2所示的驱动信号，而不必另设开关管驱动保护电路。

设工频正弦波峰值为Um、频率为fm，高频三角波峰值为Uc、频率为fc，则调制比ka(本文设为0.95)和载波比kf(本文设为200)可按式(1)和式(2)计算。

(1)

(2)

当0≤ka≤1时，基波幅值随着调制比的增大而线性增加。但当调制比大于3.24时，基波幅值却趋于某饱和状态，故此时的基波电压表现为(近似)方波形式。对于中、小功率无死区逆变器，因开关器件的性能较好且开关损耗响应较小，载波比可大于21，从而使滤波变得更加容易[9]。

1.4　逆变输出原理

由图1和图2可知，对于纯阻性负载，在调制信号的正半周，VT2始终截止而VT1在正脉冲信号驱动下可靠导通，得到形似驱动信号且幅值为0.5Ud的SPWM电压。若Z0为阻感型负载，则从调制信号的负半周起，电流经VT2的续流二极管向C2正向充电，直到续流结束，且UAB=-0.5Ud。续流结束后，电流方向开始发生改变(电压仍为负值)，且VT2开始脉动通断直至负半周结束，后续周而复始。逆变器输出电压波形如图3所示。

图3　逆变器输出电压波形

由图3可知，在续流过程中，电流方向不变，但图1中A、B间的电压方向发生了变化且持续到续流结束，负载电压波形也出现了畸变(交越失真)。随着负载感性的增强，波形畸变也越发严重。

2　逆变系统仿真

2.1　仿真模型的搭建

利用MATLAB软件搭建系统仿真模型时，关键在于单极性SPWM信号发生电路。首先，由三角波发生模块(设置成10 kHz输出)、正弦波发生模块(设置成50 Hz输出)及加减运算模块构建双极性SPWM波发生电路[10]；然后，根据调制信号(50 Hz的正弦波)的极性变化情况，将双极性SPWM波“制作”成单极性SPWM波。

搭建驱动信号发生电路后，将直流电源、开关管、续流二极管、电感与电容(构成输出交流滤波器)、负载及电压/电流测试模块按要求连线，即可构成纯硬件单相半桥开环电压型逆变器电路模型。

2.2　仿真结果

对搭建好的纯硬件单相开环电压型逆变器电路模型进行在线仿真。在纯阻性负载情况下，逆变器输出电压仿真波形如图4所示。

图4　逆变器输出电压仿真波形

由图4可知，在纯阻性负载下，系统输出波形为无失真的正弦波。

3　结束语

对于非重载用户，为降低成本和便于后续维护，利用新能源发电时，宜采用半桥开环逆变器。为避免因干扰而导致的开关器件误损坏、因设置死区时间而导致的基波电压损失以及开环输出电压波形畸变等，在纯电阻(弱感性)负载情况下，采用单极性SPWM驱动，输出电压波形较好。但在阻感型(或较强感性)负载情况下，输出电压仍出现波形畸变。这也是后续研究的重点。

参考文献:

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[2] 程泽涛,高学军.死区效应对逆变器并联环流影响的研究和仿真[J].三峡大学学报(自然科学版),2015,37(5):78-81.

[3] 赵旭升.单极性SPWM三电平半桥逆变器的研究[J].电力电子技术,2016,40(3):29-30.

[4] 王万宝,张犁,胡海兵,等.单相半桥三电平并网逆变器中点电压不平衡机理及其均压控制策略[J].中国电机工程学报,2014,34(6):839-844.

[5] 谢宁,黄海萍.家用电器功率因数初探[J].建筑电气,2012,31(7):32-37.

[6] 唐勇,汪波,陈明,等.高温下的IGBT可靠性与在线评估[J].电工技术学报,2014,29(6):17-22.

[7] 刘宾礼,刘德志,罗毅飞,等.基于电压电流的IGBT关断机理与关断时间研究[J].物理学报,2013,62(5):1-9.

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[9] 刘凤君.现代逆变技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[10]范波,张聚伟,史光辉.级联型逆变器多电平PWM控制及仿真研究[J].系统仿真学报,2014,26(2):458-463.