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：0219?2713(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

3?1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。

3?2基于脈沖調整的死區效應補償

圖3死區時間對基波的影響

(a)感性負載時的波形(b)分解后的基波Δu1

圖4死區補償電路

　　根據圖2的死區效應分析，還可以利用軟件編程方法通過改變開關時間來補償死區效應。只需檢測負載電流的極性，無需檢測電流的相位，將電流極性傳遞到微處理器的數據線即可，具體方法如下：

　　當i>0時，圖2(a)為理想波，圖2(b)給出死區時間引起的實際波與無死區時間理想波之間的誤差。為消除該誤差，可以利用軟件改變脈沖時間，如圖2(c)。在死區時間發生器產生一個不對稱脈沖之前另加一個正脈沖，這個正脈沖與死區時間合成后，產生的實際波與理想波在寬度和位置上均相同，如圖2(d)；當i0時，圖2(e)，在有死區時間的情況下產生的實際波與理想波相比，增加了一段正脈沖，若在死區時間發生器產生一個不對稱的死區脈沖之前加一段負脈沖，則合成后的實際波與理想波在寬度和位置上均一致。

圖5基于脈沖調整的死區效應補償流程圖

　　本方法可以利用80C196MC電機控制專用芯片實現，該芯片內含一個PWM波形發生器，在死區時間計數器之前調整波形發生器的脈沖時間對死區效應進行補償。該方法與載波頻率無關，只與負載電流極性相關。以U相開關管信號發生器為例，用負載電流的極性和一個表示down/up的計算狀態變量CNT為依據編程，down表示開關管打開，up表示開關管關閉。由此來決定校正時是否需要加或減脈沖的時間。利用軟件產生理想運行的開關時間ton和toff。死區td預先存儲于波形發生器的控制寄存器中，由電流檢測器不停地由數據總線更新電流極性，由來自波形發生器的中斷信號更新變量CNT的狀態。

　　當i>0時，CNT為down狀態時，軟件需在ton上加一個td脈沖，并存于ton中，再送到波形發生器中，經死區時間計數器處理后，應用到負載中去。死區計數器提供兩個互補的PWM控制信號去控制上下兩個功率開關管。當i>0且CNT為up時，toff不需校正，toff直接送到波形發生器中，經死時計數器處理后，應用到負載中。

　　當i0且CNT為up時，ton不需校正，直接送到波形發生器中，經死時計數器處理后，應用到負載中。當i0且CNT為up時，toff需減去一個脈寬td,存儲于toff中，再送到波形發生器中，經死區時間計數器處理后，應用到負載中。流程圖如圖5所示。