SPWM逆變器死區(qū)問題研究

三相橋式逆變電路中，通常采用雙極性SPWM調(diào)制技術(shù)。任何固態(tài)的功率開關(guān)管都存在著一定的導(dǎo)通和關(guān)斷時間,為確保同一橋臂上下開關(guān)管不致發(fā)生直通故障，通常采用將理想的SPWM驅(qū)動信號上升沿(或下降沿)延遲一段時間Td(稱為死區(qū)時間)[1]。死區(qū)是為保證開關(guān)器件安全、可靠運(yùn)行而采取的措施。
針對死區(qū)帶來的死區(qū)效應(yīng)，很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究[1-5]。參考文獻(xiàn)[1]通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量計(jì)算，對死區(qū)引起的輸出電壓基波，低次諧波的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。較低的總諧波畸變率(THD)與較快的動態(tài)響應(yīng)是逆變電路所期望達(dá)到的指標(biāo)，因此對死區(qū)帶來的諧波影響應(yīng)該引起更高的關(guān)注。參考文獻(xiàn)[6]在建立 SPWM學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了不同模式下SPWM電壓源型逆變器的諧波和載波比以及與調(diào)制深度的關(guān)系。參考文獻(xiàn)[2]通過數(shù)學(xué)模型和仿真分析了死區(qū)對逆變器輸出電壓和產(chǎn)生附加諧波的影響，進(jìn)而對電動機(jī)負(fù)載中磁鏈?zhǔn)噶科坪透郊訐p耗方面進(jìn)行了討論，其重點(diǎn)在附加損耗方面。上述雖然都針對死區(qū)對輸出電壓的影響進(jìn)行了分析，但系統(tǒng)性不夠完善。
理論上SPWM逆變器輸出電壓中的諧波分量應(yīng)該聚集在以開關(guān)頻率及其倍頻數(shù)為中心的一定范圍，當(dāng)此諧波被LC濾波器濾除后,輸出電壓失真度應(yīng)相當(dāng)小,且嚴(yán)格正比于調(diào)制比的正弦波形。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于死區(qū)時間的設(shè)置和開關(guān)器件固有特性(通態(tài)電壓降和開關(guān)時間)的影響，帶來的低次諧波給輸出電壓造成了嚴(yán)重的波形畸變和基波電壓損失,從而使系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能下降，增加了低次諧波抑制的難度，降低了高速開關(guān)器件的實(shí)際應(yīng)用效果。
本文通過仿真分析了死區(qū)時間對逆變器產(chǎn)生的諧波影響，提出了通過死區(qū)補(bǔ)償改善波形質(zhì)量的必要性及有益于逆變器設(shè)計(jì)的結(jié)論。
1 死區(qū)效應(yīng)分析
本文采用三相全橋SPWM逆變電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)制方式采用雙極性調(diào)制,逆變器采用對稱方式注入死區(qū)時間。

設(shè)由逆變器流向負(fù)載的方向?yàn)檩敵鲭娏鱥a的正方向。在死區(qū)時間內(nèi)，同一橋臂的兩個開關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)，輸出電流只能通過二極管續(xù)流，橋臂的輸出電壓與輸出電流的極性有關(guān)，而與驅(qū)動信號的控制邏輯無關(guān)。以橋臂A為例進(jìn)行分析,在死區(qū)時間Td內(nèi)，當(dāng)電流流出橋臂(ia＞0)時，由二極管D4續(xù)流，將輸出電壓VAN鉗位在負(fù)母線電壓-E/2；反之，當(dāng)電流流入橋臂(ia＜0)時，由二極管D1續(xù)流， 將輸出電壓VAN鉗位在正母線電壓E/2。如圖2所示，實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓相比較出現(xiàn)了一個誤差電壓Ve。由圖2(d)可以看出誤差電壓Ve具有的特征：(1)在每個開關(guān)周期內(nèi)均存在一個誤差電壓脈沖；(2)每個脈沖的幅值均為E；(3)每個脈沖的寬度均為Td；(4)每個脈沖的極性與輸出電流ia的極性相反。

2 死區(qū)對基波的影響
由參考文獻(xiàn)[1]推導(dǎo)出死區(qū)對基波的影響：通過對不含死區(qū)時間的理想波與加入死區(qū)時間的實(shí)際波之間的對比，得到輸出基波幅值隨調(diào)制深度M的減小而減??；當(dāng)開關(guān)頻率f增加時，基波電壓下降的速度增大；功率因數(shù)角φ越小，基波電壓下降越多；基波電壓隨死區(qū)時間Td的增加直線下降。
3 死區(qū)引起的附加諧波
　死區(qū)還會對輸出電壓的諧波產(chǎn)生影響。由于諧波的存在，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(shè)備的共振，同時造成電機(jī)低速轉(zhuǎn)矩脈動。通?？捎肔C濾波器消除諧波，但因?yàn)長C濾波器是按照濾除開關(guān)頻率諧波而設(shè)計(jì)的，隨著開關(guān)頻率不斷提高，頻率調(diào)制比也隨之不斷提高，使得由死區(qū)引入的3、5、7等低次諧波無法得到有效衰減，從而給輸出電壓造成了嚴(yán)重的波形畸變。
本文利用總諧波畸變率(THD)研究死區(qū)帶來的諧波影響。首先對SPWM輸出電壓進(jìn)行諧波分析，對SPWM逆變電源作以下假設(shè)：(1)直流電壓E是最理想的電壓源，可不考慮其紋波對逆變器輸出的影響；(2)開關(guān)器件為理想器件，具有理想的開關(guān)特性；(3)逆變器采用雙極性SPWM調(diào)制，三角波頻率fc與逆變器輸出電壓頻率f之比N>1，正弦調(diào)制波的幅值與載波幅值之比M≤1。
SPWM輸出相電壓傅里葉分解得：

由式(1)的第二項(xiàng)得出逆變電源輸出電壓一部分諧波分量的頻率為載波頻率的奇數(shù)倍。由式(1)的第三項(xiàng)得出逆變電源輸出電壓的另一部分諧波分量對稱分布在整數(shù)倍的載波頻率周圍，其頻率可表示為mω+nω，m是相對于載波的諧波次數(shù)，n是相對于調(diào)制波的諧波次數(shù)。

理想情況下，輸出電壓諧波中應(yīng)不含低次諧波。但實(shí)際電路中的諧波含量比理想情況下的含量要多，同時也會出現(xiàn)少量的低次諧波。
圖3(a)、(b)分別為M=0.5，N=41，φ=45°時，Td=0 μs、Td=8 μs情況下的輸出相電壓的波形。進(jìn)行fourier分析，可以得到其THD分別為26.67%、44.38%。對其第一邊帶的低次諧波進(jìn)行fourier分析,可得其THD分別為2.41%和20.04%，如圖4所示。對比圖4(a)、圖4(b)的fourier分析可以看到死區(qū)時間的加入帶來了3、5、7…低次諧波。