SPWM逆变器死区问题研究

摘  要： 通过数学计算和仿真分析了不同条件下死区时间对逆变器输出电压的基波影响,及不同条件下死区产生的谐波畸变率的变化情况。建立了定量计算的数学模型，给出了仿真曲线，并以理论曲线做了验证。同时提出死区补偿的必要性，使SPWM技术在实际变频系统中得到更为有效的应用。
关键词： 正弦脉宽调制； 死区效应； 逆变器； 仿真； 谐波
       三相桥式逆变电路中，通常采用双极性SPWM调制技术。任何固态的功率开关管都存在着一定的导通和关断时间,为确保同一桥臂上下开关管不致发生直通故障，通常采用将理想的SPWM驱动信号上升沿(或下降沿)延迟一段时间Td(称为死区时间)[1]。死区是为保证开关器件安全、可靠运行而采取的措施。
     针对死区带来的死区效应，很多学者进行了大量研究[1-5]。参考文献[1]通过建立数学模型进行定量计算，对死区引起的输出电压基波，低次谐波的变化规律进行了分析。较低的总谐波畸变率(THD)与较快的动态响应是逆变电路所期望达到的指标，因此对死区带来的谐波影响应该引起更高的关注。参考文献[6]在建立 SPWM学模型的基础上，分析了不同模式下SPWM电压源型逆变器的谐波和载波比以及与调制深度的关系。参考文献[2]通过数学模型和仿真分析了死区对逆变器输出电压和产生附加谐波的影响，进而对电动机负载中磁链矢量偏移和附加损耗方面进行了讨论，其重点在附加损耗方面。上述虽然都针对死区对输出电压的影响进行了分析，但系统性不够完善。
     理论上SPWM逆变器输出电压中的谐波分量应该聚集在以开关频率及其倍频数为中心的一定范围，当此谐波被LC滤波器滤除后,输出电压失真度应相当小,且严格正比于调制比的正弦波形。但在实际应用中，由于死区时间的设置和开关器件固有特性(通态电压降和开关时间)的影响，带来的低次谐波给输出电压造成了严重的波形畸变和基波电压损失,从而使系统的动、静态性能下降，增加了低次谐波抑制的难度，降低了高速开关器件的实际应用效果。
     本文通过仿真分析了死区时间对逆变器产生的谐波影响，提出了通过死区补偿改善波形质量的必要性及有益于逆变器设计的结论。
1 死区效应分析
     本文采用三相全桥SPWM逆变电路结构如图1所示。调制方式采用双极性调制,逆变器采用对称方式注入死区时间。
   
       设由逆变器流向负载的方向为输出电流ia的正方向。在死区时间内，同一桥臂的两个开关管均处于关断状态，输出电流只能通过二极管续流，桥臂的输出电压与输出电流的极性有关，而与驱动信号的控制逻辑无关。以桥臂A为例进行分析,在死区时间Td内，当电流流出桥臂(ia＞0)时，由二极管D4续流，将输出电压VAN钳位在负母线电压-E/2；反之，当电流流入桥臂(ia＜0)时，由二极管D1续流， 将输出电压VAN钳位在正母线电压E/2。如图2所示，实际输出电压与理想输出电压相比较出现了一个误差电压Ve。由图2(d)可以看出误差电压Ve具有的特征：(1)在每个开关周期内均存在一个误差电压脉冲；(2)每个脉冲的幅值均为E；(3)每个脉冲的宽度均为Td；(4)每个脉冲的极性与输出电流ia的极性相反。