死區(qū)時間對三相SPWM 逆變器輸出電壓低次諧波影響的分析

鞏瑞春 申 長

（包頭師范學院信息科學與技術學院，內蒙古 包頭014030）

1 SPWM 技術及三相SPWM 逆變器基本原理簡介

SPWM(Sinusoidal PWM)，即正弦脈沖寬度調制技術， 其控制的理論基礎是面積等效原理， 即用等幅不等寬的矩形脈沖等效代替正弦波，使其面積相等，這樣便可得到一串脈沖高度不變、但寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，稱為SPWM 波形。

三相SPWM 逆變器把希望輸出的頻率相同， 相位互差120°的正弦波作為調制信號，運用公共等腰三角波作為載波，在每相交點時刻控制開關器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號幅值的脈沖。

2 三相SPWM 逆變電路的MATLAB 仿真

2.1 三相SPWM 逆變器的MATLAB/SIMULINK 仿真模型圖

圖1 為三相橋式SPWM 逆變器的仿真模型圖，圖中Ud 為直流側電源， 載波信號由周期為7500Hz 的三角波構成， 信號波由周期為500Hz， 相位互差120°的正弦波構成。 逆變器主電路通過六個IGBT/Diode 開關構成，由SPWM PULSE 提供驅動信號，最終通過電壓測量模塊測出U、V、W 相的電壓。

圖1 三相SPWM 逆變器的仿真模型圖

2.2 理想狀態(tài)下三相SPWM 逆變器的頻譜分析

理想狀態(tài)下三相SPWM 橋式逆變器的頻譜如圖2 所示，F(xiàn)undamental(500)=45，THD=79.68%，從這圖中可以看出，理想情況下，逆變器輸出電壓幾乎不含低次諧波分量。

圖2 三相SPWM 橋式逆變器輸出電壓頻譜柱狀圖

3 死區(qū)時間對三相SPWM 逆變器低次諧波的影響

在逆變器輸出中，為了防止同一相的上下兩個橋臂直通，需加入幾微秒的死區(qū)時間。 雖然死區(qū)時間很短，單個脈沖不足以影響系統(tǒng)性能，但連續(xù)一個周期的死區(qū)效應積累卻會使輸出電壓含有很大諧波分量，電流波形發(fā)生畸變。

對于逆變電路來說， 注入死區(qū)時間的方式采用雙邊對稱方式設置，使欲關斷的功率管比理想波形提前Td/2 關斷，欲開通的功率管比理想波形延遲Td/2 開通。

3.1 死區(qū)時間對輸出諧波的影響

對理想的SPWM 逆變器來說， 其輸出電壓中幾乎不存在低次諧波，只有與載波比有關的諧波，但由于死區(qū)的存在，使SPWM 逆變器輸出不能精確地復現(xiàn)控制信號的波形，必然產(chǎn)生新的諧波，帶來一系列的諧波電壓分量， 低次諧波的幅值會隨死區(qū)時間的增加而增加，這些將引起輸出電壓波形發(fā)生較大的畸變。 諧波的存在，不僅造成功率因數(shù)降低，影響效率而且還可能引起逆變器自身以及其他設備的工作失調。

將線電壓UUV展開成傅里葉級數(shù)得：

由上式可以看出， 在三相SPWM 橋式逆變電路中不存在3 次諧波，以及3 的整數(shù)倍次諧波。

3.2 不同死區(qū)時間的MATLAB/SIMULINK 仿真

在生成SPWM 驅動信號模塊中設定死區(qū)時間， 實現(xiàn)不同死區(qū)時間下的不同輸出電壓頻譜，其死區(qū)時間為3us 時頻譜圖如圖4 所示。

圖3 死區(qū)時間為3us 時的輸出電壓頻譜圖

改變死區(qū)時間仿真分析，可總結如表1 所示。

由表1 可知，隨著死區(qū)時間的增加，各低次諧波含量總體逐漸增大，總諧波畸變率逐漸增高。

4 結論

通過MATLAB/SIMULINK 仿真可知，在理想狀態(tài)下，三相SPWM逆變器的輸出電壓不含低次諧波， 僅含有與載波相關的高次諧波；加入死區(qū)時間后，逆變器的輸出電壓中會增加奇次的低次諧波，這些低次諧波含量會隨著死區(qū)時間的增加而增大， 輸出電壓基波幅值減小，總諧波畸變率增高，并且不含有3 次及3 的整數(shù)倍的低次諧波。

表1 不同死區(qū)時間對逆變器輸出結果的影響數(shù)據(jù)

［1］王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].5 版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］鞏瑞春，劉曉虹.單相SPWM 逆變器輸出電壓頻譜分析研究[J].陰山學刊，2012，3.

［3］鞏瑞春，劉曉虹.三相SPWM 逆變器輸出電壓頻譜分析研究[J].硅谷，2012，10（上）.