单相全桥逆变器死区效应分析及补偿方法 - 图文 (4)

燕山大学本科生毕业设计（论文） 如图2-5为单相桥式PWM逆变电路，其中ur为信号波，uc为三角载波。采用的是单极性控制方式。

在采用双极性控制方式时，三角载波有正有负，所得的PWM波也正有负， 在uf的一个周期内，输出的PWM波只有±Ed两种电平，而不象单极性控制时还有零电平。在调制信号珥和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。

在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当ur>uc时，给VT1和VT4以导通信号，给VT2和VT3以关断信号，这时如果io>o，则VT1和VT4导通，如io<0，则VDl和VD4导通，不管哪种情况都是输出电压uo=Ed。

当urO，则VD2和VD3导通，不管哪种情况都是输出电压u0=-Ed。

在采用单极性控制方式时，同样是VT1和VT2是通断互补状态，VT3和VT4是通断互补状态。具体控制规律如下：在输出电压uo正半周，VT1保持通态，VT2保持断态。VT3和VT4交替通断。在输出电压uo正半周，VT1保持断态，VT2保持通态。VT3和VT4交替通断。负载电压可得到Ed和-Ed和0电平。本文PWM调制电路是采用两相调制信号(互为反相)与载波比较得到四路(含互补)控制信号，控制四个功率器件的通断。

从图2-5中可以看出，脉冲的值为“1”时代表其此时控制的功率管导通，为“0”时代表其此时控制的功率管关断。PWM1和PWM2互补对称，PWM3 和PWM4互补对称。根据以上所提供的数据，其载波比为N=20。也就是说，在一个调制波周期内有20个PWM脉冲，其脉冲宽度根据(公式3-3)可计算出来。此时无死区设置，属理想状态。此时，逆变器不带滤波器和负载时的电压输出波形为：

图2-6 单相SPWM逆变器不带滤波器和负载时的输出波形

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从图中可以看出，未滤波以前逆变器的输出电压为一系列的矩形脉冲，幅值宽度按相应的正弦波规律变化，而且只有Ed和-Ed两种电平。

图2-7 MATLAB/simulink下SPWM波形调制电路原理图

2.6逆变器的技术指标

通常用额定容量，变换效率，功率密度(功率，体积，功率／重量)，输入电压范围，输入电流纹波峰峰值，输出电压静态精度，输出电压直流分量，负载功率因数，输出电压波形质量，过载能力，短路能力，平均无故障间隔时间(MIBF)等技术指标来衡量一台逆变器的性能。其中输出电压波形质量可用如下参数来评价。

1．谐波因数HF(Harmonic factor)第n次谐波因数HFn定义为第n次谐波分量有效值与基波分量有效值之比，即：

HFn?UnU1[2]

（2-5）

2．总的谐波畸变率THD(Total harmonic distortion factor)总的谐波畸变率THD定义为各次谐波分量有效值平方之和的开方与基波分量有效值的比值，即：

1?21??2??Un? （2-6）THD??U1? ?n?2,3...?

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燕山大学本科生毕业设计（论文） 上式中，U1，Un分别为基波分量的有效值和第n次谐波分量的有效值。THD表征了一个实际波形和其基波分量接近的程度。理想正弦波的THD为零。

3.畸变因数DF(Distortion factor)总的谐波畸变率THD虽然指明了总的谐波含量，但并未告知每一个谐波分量的影响程度。为了表征每一谐波分 量的影响程度，引入畸变因数，并定义为

121???Un??DF????2??

U1??n?2,3...?n???2（2-7）

对于n次谐波的畸变因数DFn可定义为

DFn?UnU1n2

4.最低次谐波LOH(Lowest order harmonic)最低次谐波LOH定义为与基波频率最接近的谐波。

2．7 SPWM逆变器驱动电路

电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大影响。采用性能良好的驱动

电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩小开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率，可靠性和安全都有重要意义。驱动电路的作用是将控制输出信号放大，并且驱动功率晶体管。驱动电路可以分为电流型控制器件和电压型控制器件。由于本文中采用的逆变器主电路是由IGBT(或MOSFET)组成的，所以采用的驱动电路是电压型驱动电路[2]。

电压型控制器对驱动电路的基本要求是：(1)为了加快场控器件的开通和关断，就要减小输入电容Ciss(Ciss=CGD+CGS)的充放电时间，即减小栅极电压上升时间tr和下降时间fr，tr，tf均与RsCiss(Rs为驱动源的输出电阻)，因此常选用具有低输出电阻的射极跟随器驱动电路；(2)确保场控功率器件的开通和关断，驱动电压幅值至少要大于或等于开启电压，而且驱动电压幅值越大，开关时问也越快；(3)为了减小通态损耗和提高效率，驱动电压的幅值要尽可能大，但不能超过极限电压±20V；(4)为了抑制高频振荡，栅极引线应尽可能短，同时外串一个电阻；(5)为了防止静电使功率器件导通，通常在栅源之间并按一个泄放电阻或双向稳压管。电压型驱动电路主要包括非电气隔离驱动电路，光耦隔离驱动电路和磁耦隔离驱动电路。另外，近年来出现的智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)内含有驱动电路和过流

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保护电路，它使得主电路和辅助电路集成在了一体，具有小型，多功能，使用方便诸多优点.

2.8本章小结

本章依次介绍了正弦脉宽调制的原理，单极性调制和双极性调制法，同步调制和异步调制方式，理想状态下SPWM信号的产生及不带滤波器和负载时输出波形 ，逆变器的技术指标，SPWM逆变器驱动电路的作用和要求。

第3章 变器死区产生的机理及死区效应分析

3.1 逆变器死区产生的原因[16]

逆变技术随着自动控制理论、电力电子技术、电子计算机、微电子学等的发展已经进入一个新的时代，其应用也相应地进入了一个新的高潮。PWM控制技术广泛的应用于变频调速、开关稳压电源以及不间断电源(UPS)等电气传动系统中，且应用的优势日益突出。PWM逆变器虽然以输出波形接近正弦波为目的，但实际输出波形中仍然存在着谐波分量，其中最主要的原因是 电力电子开关器件都不是理想的开关，它们都存在导通时延与关断时

10%U延.因此，为了保证逆变电路的安全工tI作，必须在同一桥臂上、下两个开关I90%I器件的通断信号间设置一段死区时间(或称滞时).为了分析的简化，假定开10%Ittton关是理想的，把开关不理想和寄生电U容都归为死区，如FUGI．IGBT开通时t间为O．8微秒．关断时间为1．5微

图3-1 IGBT开关过程秒，因此如把开关不理想和寄生电容

都归为死区，IGBT模块逆变器的控制

死区一般不小于4微秒。尽管对于功率器件为IGBT的逆变器死区仅有3～10微秒，仅占开关周期的百分之几，单个脉冲不足以影响系统的性能，但连续考虑一个周期的效应死区的积累足以使电动机的定子电压受到很大的影响，特别是开关频率很高的场合，因为死区的存在可能使得电机转矩发生很大的脉动。死区时间的存在使得PWM变压变频器不能完全精确地复现PWM控制信号的理想波形，必然产生更多的谐波，并影响电气传动在低速下的运行性能。

90%UcmUcmcmcmcmcmcmoffcmUcm

现代电力电子装置正在向高频化发展，由于开关频率的不断提高，死区

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燕山大学本科生毕业设计（论文） 时间对变频器输出电压和输出电流的影响也愈来愈严重。在低速以及调制频率很高时，死区特性将会导致逆变器输出电压含有很大的谐波分量，进而增加电机附加损耗，使转矩发生很大的脉动，甚至可能导致系统不稳定。尽管这些影响在载波频率较低且性能要求不高的调速系统中表现得不很明显，但在低速运行时基波下降和谐波的影响将达到不可容忍的程度。因此，对逆变器的死区效应进行补偿是非常必要的。

实际开关器件的开关都需要一定的时间才能完成，常用于逆变桥的IGBT开通和关断是由栅极和发射极间电压UGE决定的，当为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通；当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。图3-I就是IGBT的开关过程图，从图中可以看出：在IGBT打开时，栅射极驱动电压UGE从其幅值to％到集电极电流ICM上升到其90％幅值时需要ton时间开通；在IGBT关闭时，栅射极驱动电压UGE从其幅值90％到集电极电流ICM下降到其10％幅值需要toff时间关断。ton和toff通常称为IGBT的开通和关断时间。

导通电压源型逆变器，换流是在同一桥臂上、下两个开关器件之间完成，其驱动信号采用互补的PWM信号，由于IGBT的开和关需要一定的时间，而且通常toff>ton，因此就有可能出现上、下两个开关器件同时导通的现象(即一个还未完全关闭而另一个就已打开)。当同一相桥臂上、下两个开关器件同时导通时，就会导致直流侧电源短路。为了防止这一现象的出现，通常在逆变器同一桥臂上、下两个开关器件导通之间加入一定的时间间隔。即采取“先断后通”的方法，先给要关断开关器件输送关断信号，然后留一定的时间裕量，待其完全关闭后，再给要导通的器件发出开通信号，通常把这些“时间裕量\称为逆变器的死区时间，通常用td来表示。死区时间的长短要视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短。在常用的IGBT三相逆变桥中，通常死区时间都要大于4us。死区时间给逆变系统带来的一些负面影响称为死区效应。死区设置方式有两种：一种是提前td／2关断，延滞td／2开通，称为双边对称设置；另一种是半边不对称设置，即只让一个开关器件延滞td开通或提前td关断。

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