PWM逆變器死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)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(qū)時(shí)間，將對逆變器輸出電壓帶來一定的誤差。本文對死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，給出了兩種補(bǔ)償方法。

關(guān)鍵詞：PWM逆變器死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)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(xiàn)標(biāo)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(guān)管存在一定的開通和關(guān)斷時(shí)間，為防止同一橋臂上兩個開關(guān)器件的直通現(xiàn)象，控制信號中必須設(shè)定幾個微秒的死區(qū)時(shí)間。盡管死區(qū)時(shí)間非常短暫，引起的輸出電壓誤差較小，但由于開關(guān)頻率較高，死區(qū)引起誤差的疊加值將會引起電機(jī)負(fù)載電流的波形畸變，使電磁力矩產(chǎn)生較大的脈動現(xiàn)象，從而使動靜態(tài)性能下降，降低了開關(guān)器件的實(shí)際應(yīng)用效果。

　　本文從分析死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理入手，尋求死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償方法。

2死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)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(guān)器件V1和V2，續(xù)流二極管D1和D2，連接兩只功率器件的控制信號來自PWM發(fā)生器，產(chǎn)生兩個基本的驅(qū)動信號ub1和ub2。輸出電壓接電機(jī)負(fù)載，設(shè)電流i流向負(fù)載的方向?yàn)檎?/P>

　　在上下兩只功率管轉(zhuǎn)換時(shí)，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(qū)時(shí)間使上下兩個開關(guān)管均不導(dǎo)通，此時(shí)輸出電流將由D1或D2續(xù)流，這取決于電流i的方向，而輸出電壓將會因死區(qū)時(shí)間而被延遲，如圖2所示。

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

圖1逆變器的一個橋臂

圖2死區(qū)誤差及矯正波形圖

3死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償

3?1調(diào)整參考波形的補(bǔ)償方法

　　假定開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于基波頻率，輸出電流為正弦波，每一死區(qū)引起的電壓誤差近似相等，則死區(qū)時(shí)間對基波電壓的影響可用電流正負(fù)半周的平均電壓誤差來表示。

　　每個死區(qū)的誤差波面積為：Δe=tdUd(1)

式中：td——死區(qū)時(shí)間（μs）

Ud——直流電源電壓（V）

　　則在每一個基波周期內(nèi)的誤差平均值為：ΔU=sign(i)Ud(2)

　　式中：M——每一個周期內(nèi)開關(guān)的次數(shù)

T——基波周期（μs）

　　可見，電壓損失與電流幅度無關(guān)，與電流方向有關(guān)。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(fù)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(guān)系，分解后基波為Δu1。則實(shí)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(diào)制PWM逆變器中，控制脈寬波形的實(shí)現(xiàn)是由參考波與調(diào)制波比較后獲得。因此，死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償可以根據(jù)負(fù)載電流的方向調(diào)整參考波而實(shí)現(xiàn)。

　　根據(jù)以上分析，可以構(gòu)造出死區(qū)補(bǔ)償電路如圖4所示。

　　器件A1檢測負(fù)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(chǎn)生一個調(diào)整后的參考波。當(dāng)i>0時(shí)，使參考波變得更正；當(dāng)i0時(shí)，使參考波變得更負(fù)。根據(jù)這樣適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，死區(qū)時(shí)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(diào)整，使方波幅值與誤差平均波幅值ΔU相等。R2與死區(qū)時(shí)間和開關(guān)頻率成正比。R3為偏置調(diào)整，是考慮各功率開關(guān)管的時(shí)間延遲不相等引起的正負(fù)電壓不平衡而設(shè)置的。

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

3?2基于脈沖調(diào)整的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償

圖3死區(qū)時(shí)間對基波的影響

(a)感性負(fù)載時(shí)的波形(b)分解后的基波Δu1

圖4死區(qū)補(bǔ)償電路

　　根據(jù)圖2的死區(qū)效應(yīng)分析，還可以利用軟件編程方法通過改變開關(guān)時(shí)間來補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)。只需檢測負(fù)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(shù)據(jù)線即可，具體方法如下：

　　當(dāng)i>0時(shí)，圖2(a)為理想波，圖2(b)給出死區(qū)時(shí)間引起的實(shí)際波與無死區(qū)時(shí)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(shí)間，如圖2(c)。在死區(qū)時(shí)間發(fā)生器產(chǎn)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(qū)時(shí)間合成后，產(chǎn)生的實(shí)際波與理想波在寬度和位置上均相同，如圖2(d)；當(dāng)i0時(shí)，圖2(e)，在有死區(qū)時(shí)間的情況下產(chǎn)生的實(shí)際波與理想波相比，增加了一段正脈沖，若在死區(qū)時(shí)間發(fā)生器產(chǎn)生一個不對稱的死區(qū)脈沖之前加一段負(fù)脈沖，則合成后的實(shí)際波與理想波在寬度和位置上均一致。

圖5基于脈沖調(diào)整的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償流程圖

　　本方法可以利用80C196MC電機(jī)控制專用芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片內(nèi)含一個PWM波形發(fā)生器，在死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器之前調(diào)整波形發(fā)生器的脈沖時(shí)間對死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。該方法與載波頻率無關(guān)，只與負(fù)載電流極性相關(guān)。以U相開關(guān)管信號發(fā)生器為例，用負(fù)載電流的極性和一個表示down/up的計(jì)算狀態(tài)變量CNT為依據(jù)編程，down表示開關(guān)管打開，up表示開關(guān)管關(guān)閉。由此來決定校正時(shí)是否需要加或減脈沖的時(shí)間。利用軟件產(chǎn)生理想運(yùn)行的開關(guān)時(shí)間ton和toff。死區(qū)td預(yù)先存儲于波形發(fā)生器的控制寄存器中，由電流檢測器不停地由數(shù)據(jù)總線更新電流極性，由來自波形發(fā)生器的中斷信號更新變量CNT的狀態(tài)。

　　當(dāng)i>0時(shí)，CNT為down狀態(tài)時(shí)，軟件需在ton上加一個td脈沖，并存于ton中，再送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中去。死區(qū)計(jì)數(shù)器提供兩個互補(bǔ)的PWM控制信號去控制上下兩個功率開關(guān)管。當(dāng)i>0且CNT為up時(shí)，toff不需校正，toff直接送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死時(shí)計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中。

　　當(dāng)i0且CNT為up時(shí)，ton不需校正，直接送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死時(shí)計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中。當(dāng)i0且CNT為up時(shí)，toff需減去一個脈寬td,存儲于toff中，再送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中。流程圖如圖5所示。

圖5 基于肪沖調(diào)整的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償流程圖

4結(jié)論

　　本文對PWM逆變器的死區(qū)效應(yīng)給出了兩種補(bǔ)償方法，即調(diào)整參考波形的補(bǔ)償方法和基于脈沖調(diào)整的補(bǔ)償方法，它們的共同之處是只需檢測負(fù)載電流的方向，不需檢測電流的相位，實(shí)現(xiàn)起來比較簡單方便。這兩種補(bǔ)償方法有利于改善逆變器的輸出波形，減少電壓畸變。

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