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)的功率開關管都存在著一定的導通和關斷時間,為確保同一橋臂上下開關管不致發(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)是為保證開關器件安全、可靠運行而采取的措施。
針對死區(qū)帶來的死區(qū)效應，很多學者進行了大量研究[1-5]。參考文獻[1]通過建立數(shù)學模型進行定量計算，對死區(qū)引起的輸出電壓基波，低次諧波的變化規(guī)律進行了分析。較低的總諧波畸變率(THD)與較快的動態(tài)響應是逆變電路所期望達到的指標，因此對死區(qū)帶來的諧波影響應該引起更高的關注。參考文獻[6]在建立 SPWM學模型的基礎上，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)制深度的關系。參考文獻[2]通過數(shù)學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，進而對電動機負載中磁鏈矢量偏移和附加損耗方面進行了討論，其重點在附加損耗方面。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該聚集在以開關頻率及其倍頻數(shù)為中心的一定范圍，當此諧波被LC濾波器濾除后,輸出電壓失真度應相當小,且嚴格正比于調(diào)制比的正弦波形。但在實際應用中，由于死區(qū)時間的設置和開關器件固有特性(通態(tài)電壓降和開關時間)的影響，帶來的低次諧波給輸出電壓造成了嚴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，降低了高速開關器件的實際應用效果。
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)補償改善波形質(zhì)量的必要性及有益于逆變器設計的結(jié)論。
1 死區(qū)效應分析
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。

設由逆變器流向負載的方向為輸出電流ia的正方向。在死區(qū)時間內(nèi)，同一橋臂的兩個開關管均處于關斷狀態(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，而與驅(qū)動信號的控制邏輯無關。以橋臂A為例進行分析,在死區(qū)時間Td內(nèi)，當電流流出橋臂(ia＞0)時，由二極管D4續(xù)流，將輸出電壓VAN鉗位在負母線電壓-E/2；反之，當電流流入橋臂(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[1]推導出死區(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??；當開關頻率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備的共振，同時造成電機低速轉(zhuǎn)矩脈動。通?？捎肔C濾波器消除諧波，但因為LC濾波器是按照濾除開關頻率諧波而設計的，隨著開關頻率不斷提高，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輸出電壓進行諧波分析，對SPWM逆變電源作以下假設：(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)開關器件為理想器件，具有理想的開關特性；(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，輸出電壓諧波中應不含低次諧波。但實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。