PWM逆变器死区效应的补偿

    摘要：在PWM三相逆变器中，为防止同一桥臂上的两个功率器件的直通短路而注入的死区时间，将对逆变器输出电压带来一定的误差。本文对死区效应的产生机理进行了分析，给出了两种补偿方法。

    关键词：PWM逆变器  死区效应  补偿

1 引言

在PWM三相逆变器中，由于开关管存在一定的开通和关断时间，为防止同一桥臂上两个开关器件的直通现象，控制信号中必须设定几个微秒的死区时间。尽管死区时间非常短暂，引起的输出电压误差较小，但由于开关频率较高，死区引起误差的叠加值将会引起电机负载电流的波形畸变，使电磁力矩产生较大的脉动现象，从而使动静态性能下降，降低了开关器件的实际应用效果。

本文从分析死区效应的产生机理入手，寻求死区效应的补偿方法。

2 死区效应的产生

利用逆变器中的一个桥臂(如图1)来讨论。它包括上下开关器件V1和V2，续流二极管D1和D2，连接两只功率器件的控制信号来自PWM发生器，产生两个基本的驱动信号ub1和ub2。输出电压接电机负载，设电流i流向负载的方向为正。

在上下两只功率管转换时，分为V1由通到断与V2由断到通或V2由通到断与V1由断到通两种情况，必须注入死区时间使上下两个开关管均不导通，此时输出电流将由D1或D2续流，这取决于电流i的方向，而输出电压将会因死区时间而被延迟，如图2所示。

由图2可见，输出理想波与实际波之间将会引起误差波。若忽略开关器件的存储时间及脉冲上升与下降时间，误差波可认为是矩形波。

3 死区效应的补偿

3.1 调整参考波形的补偿方法

假定开关频率远大于基波频率，输出电流为正弦波，每一死区引起的电压误差近似相等，则死区时间对基波电压的影响可用电流正负半周的平均电压误差来表示。

每个死区的误差波面积为：Δe=tdUd    (1)

式中：td——死区时间（μs）

Ud——直流电源电压（V）

则在每一个基波周期内的误差平均值为：ΔU=（sign(i)）Utd/T    (2)

式中：M——每一个周期内开关的次数

T——基波周期（μs）

可见，电压损失与电流幅度无关，与电流方向有关。平均误差电压对逆变器影响的波形如图3所示。其中ur为理想基波。若负载为感性，则电流滞后ur的角度为φ′。平均误差电压ΔU为矩形波，与电流i成反向关系，分解后基波为Δu1。则实际基波电压u1为理想基波ur与误差基波Δu1的叠加。

在正弦调制PWM逆变器中，控制脉宽波形的实现是由参考波与调制波比较后获得。因此，死区效应的补偿可以根据负载电流的方向调整参考波而实现。

根据以上分析，可以构造出死区补偿电路如图4所示。

器件A1检测负载电流i的方向，A2的输出为一矩形波，该矩形波加到参考波中，产生一个调整后的参考波。当i>0时，使参考波变得更正；当i<0时，使参考波变得更负。根据这样适当的调整，死区时间引起的误差可以消除，输出基波电压将与原参考波相同。在图4中，R2为增益调整，使方波幅值与误差平均波幅值ΔU相等。R2与死区时间和开关频率成正比。R3为偏置调整，是考虑各功率开关管的时间延迟不相等引起的正负电压不平衡而设置的。

该电路适用于正弦调整PWM逆变器，脉宽必须由参考波与调制波直接比较获得，该补偿方式需要一个电流传感器反馈电流的方向。其特点是硬件电路简单，易于实现。

3.2 基于脉冲调整的死区效应补偿

根据图2的死区效应分析，还可以利用软件编程方法通过改变开关时间来补偿死区效应。只需检测负载电流的极性，无需检测电流的相位，将电流极性传递到微处理器的数据线即可，具体方法如下：

当i>0时，图2(a)为理想波，图2(b)给出死区时间引起的实际波与无死区时间理想波之间的误差。为消除该误差，可以利用软件改变脉冲时间，如图2(c)。在死区时间发生器产生一个不对称脉冲之前另加一个正脉冲，这个正脉冲与死区时间合成后，产生的实际波与理想波在宽度和位置上均相同，如图2(d)；当i<0时，图2(e)，在有死区时间的情况下产生的实际波与理想波相比，增加了一段正脉冲，若在死区时间发生器产生一个不对称的死区脉冲之前加一段负脉冲，则合成后的实际波与理想波在宽度和位置上均一致。

本方法可以利用80C196MC电机控制专用芯片实现，该芯片内含一个PWM波形发生器，在死区时间计数器之前调整波形发生器的脉冲时间对死区效应进行补偿。该方法与载波频率无关，只与负载电流极性相关。以U相开关管信号发生器为例，用负载电流的极性和一个表示down/up的计算状态变量CNT为依据编程，down表示开关管打开，up表示开关管关闭。由此来决定校正时是否需要加或减脉冲的时间。利用软件产生理想运行的开关时间ton和toff。死区td预先存储于波形发生器的控制寄存器中，由电流检测器不停地由数据总线更新电流极性，由来自波形发生器的中断信号更新变量CNT的状态。

当i>0时，CNT为down状态时，软件需在ton上加一个td脉冲，并存于ton中，再送到波形发生器中，经死区时间计数器处理后，应用到负载中去。死区计数器提供两个互补的PWM控制信号去控制上下两个功率开关管。当i>0且CNT为up时，toff不需校正，toff直接送到波形发生器中，经死时计数器处理后，应用到负载中。

当i<0且CNT为up时，ton不需校正，直接送到波形发生器中，经死时计数器处理后，应用到负载中。当i<0且CNT为up时，toff需减去一个脉宽td,存储于toff中，再送到波形发生器中，经死区时间计数器处理后，应用到负载中。流程图如图5所示。

4 结论

本文对PWM逆变器的死区效应给出了两种补偿方法，即调整参考波形的补偿方法和基于脉冲调整的补偿方法，它们的共同之处是只需检测负载电流的方向，不需检测电流的相位，实现起来比较简单方便。这两种补偿方法有利于改善逆变器的输出波形，减少电压畸变。