单相全桥逆变器死区效应分析及补偿方法 - 图文 (7)

燕山大学本科生毕业设计（论文） 计滤波器的目的就是将输出电压中的高频谐波成分滤除，只将正弦基波电压输给负载。换句话说输出滤波器的主要功能是改善电力电子电路输出到负载上的供电电压质量。

3.4.2 LC滤波器的频率响应特性[2]

如图3-3为L，C滤波电路，滤波器的输入电压为U01，输出电压为U01。假定所带负载为纯电阻，那么此时滤波器的传递函数为：

RG?s??RCs?1?R?LsLCsCs?112tLVaCV0R图3-3 滤波电路

根据二阶振荡环节的标准传递函数：

G(s)?1Ts?2?Ts?1 （3-10）

Bode Diagram200Magnitude (dB)?LRs?122式中T>0为振荡环节的时间常数，0≦

?<1为阻尼系数。对 公式（3-9）

和公式(3-10），对于带纯阻性负载的L，C滤波器来说，T?LC,??12RLC-20-40-60-80??0.3??0.5??0.707??0.9??2.5，

-100其频 率响应特性图如图(3-4)所示。结

Phase (deg)0-45合文献，当?<0．7时，滤波器的幅频响应中有谐振峰，而且阻尼比?越小，谐振峰值越高。对于公式（3-10)来说，就是负载电阻的值越大。谐振峰值越高，当空载时，谐振倾向最强。

??0.3??0.5??0.707??0.9??2.5-90-135-18010-1100101Frequency (rad/sec)102103图3-4 滤波器频率响应特性图3.4.3滤波器的设计

选择输出滤波器适当的L，C参数使得对于谐波电流，串联电感L的阻抗远大于输出端谐波等效电阻，并联电容C的谐波阻抗远小于负载等效阻抗，于是逆变器输出电压中的谐波电压绝大部分降落在L上，使负载上的谐波电压很小，同时输出电压产生的，流过L的谐波电流，因滤波电容C对谐波电流的阻抗很小而使谐波电流几乎全部流入滤波电容C，负载中几乎没有什么谐波电流。对基波，电感L的阻抗小，基波压降不大，可以使滤波器对负载

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章及标题

基波电压影响不大。对基波电压而言，C的阻抗大，流入C的基波电流不大，它对电路中开关器件的电流值影响不大。再由以上介绍的二阶系统的频域特性可知，滤波器的期望转折频率wc应远小于SPWM波的谐波频率。但是，由于同一桥臂的两开关不能同时导通必须在PWM控制脉冲中设置一定的死区时间，这样会造成输出电压中含有与死区有关的低次奇次谐波。这样如果按照以上的选择标准，就会使得死区带来的影响更为显著。为得到更好的滤波效果，选择L=2mH，C=18uF。

3.5本章小结

本章介绍了逆变器死区产生的原因以及产生的死区效应，主要包括输出

电压基波和谐波含量的影响，由此设计的滤波器将高次谐波滤除，但滤波器对低次谐波的滤除无效，需采用其他输出波形控制方法来进行补偿。

第4章 SPWM逆变器输出波形控制策略

一个高性能的SPWM逆变电源包括两方面的性能指标，(1)良好的波形质量，输出波形的电压电流谐波总畸变率很低，基波分量相对参考波形在相位和幅度上无静差。逆变器的目标是在任和负载条件下和瞬态情况下保证标准的额定正弦输出。由于死区和非线性负载的影响，会使输出波形的谐波总畸变率增高，这时对输出波形进行控制的目的设法降低逆变器终端的电压电流谐波总畸变率，降低波形失真度。(2)较快的动态响应速度，在外界扰动下要调节快，比如指令信号和负载突变，逆变器开机时，输出波形能在极短的时间内达到稳态。目前应用于逆变器输出波形控制的方法有很多，比如用于改善动态响应的有瞬时值反馈控制，状态反馈，模糊控制等，用于改善稳态精度的有谐波反馈控制，电压电流反馈控制和重复控制等。

参考正弦波参考正弦波三角载波PWM死区逻辑逆变器死区补偿(a)电流反馈型补偿PWM三角载波Z-1死区逻辑逆变器死区补偿(b)电压反馈型补偿4.1基于周期的控制技术

4.1.1电压电流反馈型补偿技术

图4-1 两种常用的死区补偿方法图4-1所示为两种常用的死区补偿方法。图4-1（a）为电流反馈型补偿，根据输

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燕山大学本科生毕业设计（论文） 出电流的极性产生1个补偿信号叠加到参考电压上。这种补偿方法需要精确检测输出电流的极性以实现正确补偿，但在过零点附近由于PWM开关噪声的影响使正确检测难度较大。图4-1（b）为电压反馈型补偿，根据所检测的桥臂PWM输出电压与参考PWM电压的偏差，提供1个补偿信号叠加到参考电压上。这种补偿方法需要对每1

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个输出PWM电压进行高精度检测，实现起来成本较高。

4.1.2谐波反馈控制

谐波反馈的基本思想来源于基本的反馈控制，及反馈控制系统良好的抗扰动性能。它对负反馈包围的前向通道的-一切扰动作用都能有效地抑制。图4-2为逆变器的谐波反馈控制示意图。

50Hz SinVgPI谐波瞬时值基波均值G(Z)谐波检测器dV0

由于死区效应和非线性负载所造成的波形畸变主要是奇次的低次谐波，高次谐波可以由LC滤波器滤除，所以，通常只需反馈3，5，7次谐波即可。因此，在内存中记录一个周期的电压瞬时值，用快速傅立叶变换的方法直接求出3,5，7次谐波的幅值和相位，然后合成谐波反馈。显然，这种方法至少需要一个完整的正弦周期。综上所述，考虑到开关器件固有特性和零电流钳位现象的影响，由于死区效应的复杂性，要用传统方案来实现精确的死区补偿几乎是不可能的。为改善逆变器的输出电压波形，本文基于重复控制原理提出了一种新的补偿方案。重复控制(Repetitive Control)是为了克服逆变器死区效应和整流性非线性负载引起的输出电压周期性畸变，它通常与其他PWM控制方式相结合。重复控制的思想是假定前一周期出现的基波波形畸变将在下一周期的同一时间重复出现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期将此信号叠加到原控制信号上，以消除后面各周期中将出现的重复性畸变。

图4-2 逆变器的谐波反馈控制示意图4.2 SPWM逆变器重复控制器模型及各参数设计

死区效应和非线性负载都会影响逆变器输出电压波形的质量，造成逆变器输出电压波形的严重畸变。近年来，国内外学者对逆变器输出电压波形控制进行了大量深入的研究，提出了许许多多有效的控制算法，其中重复控制

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章及标题

技术就是一种比较好的解决方案。重复控制源于控制理论中的内模原理，当将重复控制用于逆变器的波形校正时，其基本思想是假设前一个基波周期中出现的波形畸变将会在下一个基波周期的同一时间重复出现，在此假设条件下，控制器根据每个开关周期给定信号与反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除以后各基波周期中将出现的重复畸变。由此可见，重复控制只对产生波形畸变的周期性扰动有抑制作用，但对非周期性 扰动却无能为力。幸运的是，产生逆变器波形畸变的扰动大部分都是周期性的，死区与负载所产生的扰动就是周期性扰动，因此重复控制技术可以同时对死区与负载引起的波形畸变有较好的校正作用。

图4-3所示为一般的逆变器重复控制系统示意图，图中，为正弦参考信号，Y为逆变器输出电压，e为误差信号，d为等效的周期性扰动，z“为周期延迟环节，Ⅳ为一个基波周期的采样次数，C(z)为重复控制环路的补偿器， P(z)为控制对象，图中阴影部分为重复信号发生器内模，下面将分别介绍重复控制器各组成部分。

dreu-NurC(z)P(z)yZQ(z)Z-N图4-3 重复控制系统示意图4.2.1重复信号发生器内模[24]

内模控制的概念是由Carcia等人于1982年提出来的。为了用它分析预测控制的机理，首先应讨论内模控制的基本思想。控制系统设计的一个基本要求是在具有未知或不可测的干扰输入情况下，无稳态误差地调节被控量到参考信号。内模原理指出，若参考输入信号的模型被包含在稳定的闭环系统中，则被控输出能够无稳态误差地跟踪参考信号。例如，若要求闭环控制系统对阶跃输入的稳态响应误差为零，则在开环传函中应包含阶跃函数的模型即积分节1／s。逆变器波形控制系统是一个指令呈正弦函数变化的伺服系统，系统扰动以负载电流为例：当负载为线性时是按正弦规律变化的：当负

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燕山大学本科生毕业设计（论文） 载为非线性时则是按非正弦规律变化的。若要闭环控制系统对正弦输入的稳态响应误差为零，则应在开环传递函数中包含正弦函数的模型

?n/?s??n222?

(其中?n为输入正弦波的角频率)。当指令和扰动都以角频率作正弦变化时，一个稳定的、包含上述内模的伺服系统是无静差的。但是在非线性负载条件下，负载电流是非正弦的，其中蕴含了基波以及基波频率整数倍的多重谐波。此外，像死区效应这样的非线性因素，也可以等效为多重谐波扰动的叠加。因此，实际系统面临的扰动频率是多种多样的，如果要求对所有这些频率的扰动均实现无静差，将意味着对每一次谐波都设置一重正弦函数内模。为达到一定的波形控制质量，所需的内模重数可能会比较多，这将使控制系统过于复杂。注意到死区和非线性负载扰动引起的误差信号在每一个基波周期都以完全相同的波形重复出现，即扰动具有重复性，因此我们可以设置如下的内模[25]：

1Gm(z)?1?z?N （公式4-1）

N是每个基波周期的采样次数。上式实质是一个数字重复信号发生器，不论输入信号波形如何，只要它以基波周期重复出现，输出就是对输入信号的以基波周期为步长的累加。把这个重复信号信号发生器作为内模设置在闭环系统中，并设计补偿器以使系统保持稳定，就能够无稳态误差地跟踪相同周期的指令或抑制相同周期的扰动，达到对周期参考信号的完全跟踪和对周期扰动信号的完全抑制。

由于(4-1)形式的重复信号发生器内模的引入会给系统带来N个位于单位圆周上的极点，因而系统处于临界稳定状态，对模型误差和外界扰动非常敏感，容易受到建模时参数误差和外界扰动而变得不稳定。因此，目前的实际系统大多采用如图3-I阴影部分所示的改进型重复信号发生器。其中设置了滤波器Q(z)，Q(z)可以是一个低通滤波器，也可以简单地取为一个略小于l的常数，以减弱积分效果。

以惯常采用的D(z)=0．95为例，有

u?z?e?z??11?Q?z?z?N?11?0.95z?N （公式4-2）

写成差分方程的形式为

u(k)?0.95u(k?N)?e?k? （公式4-3）

上式表明：每隔一个周期(N步)，输出量获得一次累加。但这种累加是

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