PWM逆變器死區效應的補償

摘要：在PWM三相逆變器中，為防止同一橋臂上的兩個功率器件的直通短路而注入的死區時間，將對逆變器輸出電壓帶來一定的誤差。本文對死區效應的產生機理進行了分析，給出了兩種補償方法。

關鍵詞：PWM逆變器死區效應補償

The Compensation of the Dead time Effect for PWM Inverters

Abstract:In PWM inverters,the dead time to prevent short circuit of the power supply will result in the output voltage error.In this paper, the cause of the dead time effects is analysised.The two compensation methods are given. Keywords:PWM inverter, Dead time effects, Compensation

中圖法分類號：TM464文獻標識碼：A文章編號：02192713(2000)12－649－03

1引言

　　在PWM三相逆變器中，由于開關管存在一定的開通和關斷時間，為防止同一橋臂上兩個開關器件的直通現象，控制信號中必須設定幾個微秒的死區時間。盡管死區時間非常短暫，引起的輸出電壓誤差較小，但由于開關頻率較高，死區引起誤差的疊加值將會引起電機負載電流的波形畸變，使電磁力矩產生較大的脈動現象，從而使動靜態性能下降，降低了開關器件的實際應用效果。

　　本文從分析死區效應的產生機理入手，尋求死區效應的補償方法。

2死區效應的產生

　　利用逆變器中的一個橋臂(如圖1)來討論。它包括上下開關器件V1和V2，續流二極管D1和D2，連接兩只功率器件的控制信號來自PWM發生器，產生兩個基本的驅動信號ub1和ub2。輸出電壓接電機負載，設電流i流向負載的方向為正。

　　在上下兩只功率管轉換時，分為V1由通到斷與V2由斷到通或V2由通到斷與V1由斷到通兩種情況，必須注入死區時間使上下兩個開關管均不導通，此時輸出電流將由D1或D2續流，這取決于電流i的方向，而輸出電壓將會因死區時間而被延遲，如圖2所示。

　　由圖2可見，輸出理想波與實際波之間將會引起誤差波。若忽略開關器件的存儲時間及脈沖上升與下降時間，誤差波可認為是矩形波。

圖1逆變器的一個橋臂

圖2死區誤差及矯正波形圖

3死區效應的補償

31調整參考波形的補償方法

　　假定開關頻率遠大于基波頻率，輸出電流為正弦波，每一死區引起的電壓誤差近似相等，則死區時間對基波電壓的影響可用電流正負半周的平均電壓誤差來表示。

　　每個死區的誤差波面積為：Δe=tdUd(1)

式中：td——死區時間（μs）

Ud——直流電源電壓（V）

　　則在每一個基波周期內的誤差平均值為：ΔU=sign(i)Ud(2)

　　式中：M——每一個周期內開關的次數

T——基波周期（μs）

　　可見，電壓損失與電流幅度無關，與電流方向有關。平均誤差電壓對逆變器影響的波形如圖3所示。其中ur為理想基波。若負載為感性，則電流滯后ur的角度為φ′。平均誤差電壓ΔU為矩形波，與電流i成反向關系，分解后基波為Δu1。則實際基波電壓u1為理想基波ur與誤差基波Δu1的疊加。

　　在正弦調制PWM逆變器中，控制脈寬波形的實現是由參考波與調制波比較后獲得。因此，死區效應的補償可以根據負載電流的方向調整參考波而實現。

　　根據以上分析，可以構造出死區補償電路如圖4所示。

　　器件A1檢測負載電流i的方向，A2的輸出為一矩形波，該矩形波加到參考波中，產生一個調整后的參考波。當i>0時，使參考波變得更正；當i0時，使參考波變得更負。根據這樣適當的調整，死區時間引起的誤差可以消除，輸出基波電壓將與原參考波相同。在圖4中，R2為增益調整，使方波幅值與誤差平均波幅值ΔU相等。R2與死區時間和開關頻率成正比。R3為偏置調整，是考慮各功率開關管的時間延遲不相等引起的正負電壓不平衡而設置的。

　　該電路適用于正弦調整PWM逆變器，脈寬必須由參考波與調制波直接比較獲得，該補償方式需要一個電流傳感器反饋電流的方向。其特點是硬件電路簡單，易于實現。