電壓型逆變器死區(qū)效應(yīng)分析及新型補(bǔ)償方法

楊 爽，韋忠朝，高信邁

（華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

電力電子電路中開(kāi)關(guān)器件有兩種工作狀態(tài):通態(tài)和斷態(tài)；有兩種過(guò)渡過(guò)程:開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程。一般而言，電壓控制驅(qū)動(dòng)型全控器件的關(guān)斷時(shí)間大于開(kāi)通時(shí)間。為避免橋臂直通短路，同一橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不能同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。所以常常插入一段死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間、開(kāi)關(guān)管的過(guò)渡時(shí)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(diào)制度很高或很低的時(shí)候，死區(qū)會(huì)使輸出電壓含有很大諧波分量，電流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等。這也是造成變頻變壓控制的通用逆變器帶小負(fù)載能力差、電機(jī)產(chǎn)生抖動(dòng)、穩(wěn)定性不好的重要原因之一。尤其是SPWM調(diào)制深度越小，輸出電壓基波有效值越小，穩(wěn)定性更差。而小調(diào)制深度對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的低頻輕載運(yùn)行情況，死區(qū)也就直接影響到電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)速范圍的擴(kuò)展和定位精度的提高。因此對(duì)逆變器進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償是非常有必要的。

本文對(duì)電壓型逆變器的死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行了具體分析，并提出一種新型的死區(qū)補(bǔ)償方法。這種補(bǔ)償方法在無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l發(fā)電系統(tǒng)中獲得很好的效果，也驗(yàn)證了這種方法的可行性。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 死區(qū)效應(yīng)分析

圖1是電壓型逆變器通用拓?fù)潆娐贰Ｍ粯虮凵舷聝蓚€(gè)開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)通、斷，如α相橋臂上管VT1導(dǎo)通時(shí)，下管VT2截止；VT2導(dǎo)通時(shí)，VT1截止。當(dāng)VT1（VD1）導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)α接于直流電源正端，Uan＝Ud／2；當(dāng)VT2（VD2）導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)α接于直流電源負(fù)端，Uan＝－Ud／2；同理，b點(diǎn)和c點(diǎn)也是根據(jù)上、下管導(dǎo)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(fā)脈沖，圖2（b）是加入死區(qū)時(shí)間td后上下橋臂觸發(fā)脈沖。在死區(qū)效應(yīng)分析中，必須要考慮開(kāi)關(guān)管的固有特性:通態(tài)管壓降和開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間的影響。圖2（c）和圖2（d）是考慮開(kāi)關(guān)管固有特性后的實(shí)際SPWM波形。

以電壓型控制驅(qū)動(dòng)全控器件IGBT為例，設(shè)開(kāi)通時(shí)間為ton，關(guān)斷時(shí)間為toff，通態(tài)壓降為Uvt，斷態(tài)等效電阻為無(wú)窮大，二極管的管壓降為Ud。規(guī)定α相電流流向負(fù)載時(shí)為正方向。

由圖2（c）可知，上橋臂的有效導(dǎo)通時(shí)間為t2－t1＋toff－ton－td，引起死區(qū)效應(yīng)的時(shí)間誤差為:te＝toffton－td。以α相電流正負(fù)情況對(duì)逆變器輸出電壓進(jìn)行分析。

當(dāng)電流ia＞0時(shí)，即電流流向負(fù)載，此時(shí)有兩種電流流通路徑:

（1）開(kāi)關(guān)管VT1導(dǎo)通，

（2）開(kāi)關(guān)管VT1截止，電流通過(guò)二極管VD2續(xù)流，

圖2 逆變器死區(qū)效應(yīng)波形圖

則在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)輸出電壓的平均值為:

逆變器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)理想的輸出電壓平均值為:

由死區(qū)效應(yīng)引起的輸出電壓降為:

當(dāng)電流ia＜0時(shí)，同理可以推出:

由式（5）、式（6）可以看出，需要補(bǔ)償?shù)恼`差電壓的極性與三相電流極性相同。死區(qū)效應(yīng)引起的逆變器輸出電壓的誤差和電流的方向、加入的死區(qū)時(shí)間有關(guān)，還和開(kāi)關(guān)管的通態(tài)壓降及開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間有關(guān)。

死區(qū)時(shí)間、開(kāi)關(guān)管的非理想特性使輸出電壓出現(xiàn)畸變，降低了調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。因此對(duì)高性能的逆變器，必須對(duì)死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。

1.2 基于電流極性的電流空間矢量死區(qū)補(bǔ)償方法

傳統(tǒng)的死區(qū)補(bǔ)償方法主要是對(duì)死區(qū)誤差進(jìn)行電壓補(bǔ)償，或者對(duì)損失的PWM脈沖寬度在軟件上進(jìn)行時(shí)間的補(bǔ)償，使實(shí)際的開(kāi)通時(shí)間與理想導(dǎo)通時(shí)間相一致。這些方法一般都需要檢測(cè)負(fù)載電流的極性，以其過(guò)零點(diǎn)作為補(bǔ)償電壓信號(hào)的切換時(shí)刻。通常的檢測(cè)方法是對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行濾波處理，但濾波環(huán)節(jié)的引入?yún)s帶來(lái)了檢測(cè)信號(hào)的滯后問(wèn)題。另外電流在過(guò)零點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生“零點(diǎn)箝位”，尤其是當(dāng)輸出交流電壓頻率越低時(shí)，SPWM調(diào)制深度越小，零點(diǎn)檢測(cè)將會(huì)變得更加困難。因此提高電流過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的精度對(duì)死區(qū)補(bǔ)償至關(guān)重要。

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

圖3 電流變換矢量圖

將整個(gè)周期劃分為6個(gè)扇區(qū)，根據(jù)θ角所在扇區(qū)就可以判斷出三相電流的極性，如表1所示。

表1 不同扇區(qū)三相電流的極性

表1中，相電流為正取補(bǔ)償信號(hào)為1，即補(bǔ)償誤差電壓Ue；電流為負(fù)時(shí)取補(bǔ)償信號(hào)為0，此時(shí)補(bǔ)償誤差電壓－Ue。同一橋臂死區(qū)補(bǔ)償方法如圖4所示。

圖4 死區(qū)補(bǔ)償原理框圖

根據(jù)不同的補(bǔ)償指令，變成方波電壓，加到每相的調(diào)制波U＊上，這個(gè)方波電壓使逆變器產(chǎn)生一個(gè)與電流相位相同、與誤差波形相似的補(bǔ)償電壓。該補(bǔ)償電壓可以消除由死區(qū)時(shí)間、開(kāi)關(guān)管非理想特性引起的死區(qū)效應(yīng)。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)主電路為由IGBT構(gòu)成的三相電壓型逆變器，開(kāi)關(guān)頻率為5.6kHz。IGBT選擇FF300R12KE3＿B2晶體管，開(kāi)通時(shí)間為ton＝0.12μs，關(guān)斷時(shí)間為toff＝0.49μs，通態(tài)壓降為Uvt＝1.6V，二極管的管壓降為Ud＝1.5V。圖5是無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l發(fā)電系統(tǒng)中死區(qū)補(bǔ)償方案的控制框圖。

圖5 系統(tǒng)死區(qū)補(bǔ)償方案控制框圖

圖6是無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用上述死區(qū)補(bǔ)償方法前后的實(shí)驗(yàn)波形。圖6（a）、（b）、（c）、（d）左右側(cè)分別為電機(jī)運(yùn)行在2.5Hz、5Hz、10Hz、15Hz時(shí)補(bǔ)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(dòng)機(jī)在低頻情況下運(yùn)行更加平穩(wěn)。逆變器輸出電流頻率增大時(shí)，PWM調(diào)制深度增大，死區(qū)效應(yīng)相對(duì)減小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該補(bǔ)償策略對(duì)由死區(qū)時(shí)間和開(kāi)關(guān)器件的非理想特性造成的電壓畸變有很好的補(bǔ)償效果。

圖6 實(shí)驗(yàn)電流檢測(cè)波形

3 結(jié) 論

本文針對(duì)電壓型逆變器由于死區(qū)時(shí)間、開(kāi)關(guān)管非理想特性引起的死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行了具體分析，并計(jì)算了誤差電壓。根據(jù)誤差電壓，提出了基于電流空間矢量判斷電流極性的補(bǔ)償方法。由于該方法只是在原驅(qū)動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上加以補(bǔ)償，因而在零區(qū)域不會(huì)使逆變器輸出波形產(chǎn)生畸變，能夠達(dá)到更好的補(bǔ)償效果。實(shí)際電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠顯著地提高逆變器輸出電流波形的質(zhì)量，也表明了這種方法在死區(qū)補(bǔ)償上的實(shí)用性。

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