单相桥式PWM逆变器死区补偿的一种方法

摘要：为了更好的了解脉冲宽度调制控制技术及其在实际电路中的应用，文中以单相SPWM逆变电路为控制对象，分别从PWM的产生机制、死区补偿和输出电压与输出电流等方面详细介绍了死区补偿的一种方法。并对逆变器的工作模态、电流回路做了具体的分析。文中结合图表和文字说明进行分析，形象直观、简洁易懂。
关键词：死区补偿；脉冲宽度调制；逆变器

桥式PWM逆变器中，为了防止同桥臂开关器件直通，需要在其互补驱动信号中设置死区，但同时会导致输出电压基波幅值降低并产生低次谐波等。为改善输出电压波形，可采取多种方法，相关资料也介绍了死区补偿的方法，但未能采用图文形象、直观的介绍死区补偿的过程，而采用纯数学推理和文字说明较抽象，不易理解。本文详细介绍了一种死区补偿的方法。

1 单相桥式PWM逆变电路
在采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路中，假设负载为阻感负载。工作时V1和V2的通断状态互补，V3和V4的通断状态也互补。逆变桥的主回路由左右桥臂组成，每个桥臂有两个IGBT，每一个开关器件都有一个PWM波控制其导通，且同一桥臂上的两功率开关器件不能同时导通，否则会导致直流电压短路。考虑到在感性负载下二极管VD1、VD2、VD3、VD4存在着续流的现象，且逆变桥同一桥臂上的两个IGBT不能同时导通，所以在逆变电路中存在着五种开关状态，具体情况如表1所示。单相桥式删逆变电路如图1所示。

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2 PWM控制过程的分析
2．1 PWM的产生机制
本文采用调制法产生PWM波形，采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。
本文设置三角波频率为550Hz，正弦波频率为50Hz，通过调制法得到每个IGBT的PWM波形图如图2所示。

2．2 死区补偿
在电压型逆变电路的PWM控制中，同一相上下两个桥臂的驱动信号都是互补的。但由于IGBT的截止时间约为200多纳秒，导通时间约为100多纳秒，开通速度比关断速度快。如果在一个IGBT截止的同时让此桥臂的另一个IGBT导通，将会出现上下两个桥臂直通而短路的现象。为了防止发生这一现象，必须在开通和关断信号之间设置一个死区时间，因而理想的调制信号和开关管输出的实际信号之间存在偏差。死区时间的存在导致输出电压波形产生畸变，降低了基波幅值，增加了负载的谐波损耗。
为了避免桥臂直通设置的死区时间虽然宽度很小，仅占开关周期的百分之几，单个脉冲不足以影响整个系统的性能，但由于开关频率较高，其积累效应足以使输出波形发生畸变并产生谐波干扰，所以有必要对死区效应进行补偿。
在图1所示的单相SPWM逆变电路中，设置死区前后的控制波形如图3所示。

由图3可知，由死区及续流所致，当i>0时，正向脉冲较理想时减小了Td，负向脉冲增加了Td；当i0时，情况相反。[p]
由于在死区时间内，存在V1、V2、V3、V4都不导通的情况。当电路为阻感负载时，由于电感中的电流不能突变，所以电路会在死区时间通过续流二极管续流。
通过比较可知，因为续流的缘故，死区时间内A、B点的电位不再为零。当i>0时，VD2、VD3续流形成回路，A端电位UA为-Ed／2，B端电位UB为+Ed／2；当i0时，VD1、VD4续流形成回路，A端电位UA为+Ed／2，B端电位UB为-Ed／2。
A、B两点之间电压分别为，UAB=UA-UB，UAB'=UA'-UB'，可以看出，原来处于死区时间内电压为0的区域在续流的作用下变得有电压了。电压的大小由电流的方向决定，当i>0时，VD2、VD3续流形成回路，输出电压UO=UA-UB为-Ed；当i0时，VD1、VD4续流形成回路，输出电压UO=UA-UB为+Ed。
由于受续流的影响，输出电压和输出电流存在相位差φ，降低了系统的功率因素。为了提高功率因数，需要对波形进行死区补偿。
图4是在死区时间Td内A点和B点的电位。图中虚线部分面积和Td时间内产生的UA(或UB)的面积大小相等。

设置死区后的PWM波形会发生形变，使其稍稍偏离正弦波。这时需要对IGBT在死区时间中功率的减小做出补偿。将图4(a)中的虚线部分补偿给ur得到图4(c)，将图4(b)中虚线部分补偿给反向正弦波得到图4(d)，从而实现了在死区时间内功率损失的补偿。[p]
2．3 输出电压和输出电流的分析
图5(a)和(b)分别为输出电压和输出电流的波形，从图中可以看出输出电流的相位比输出电压滞后φ个角度。为了便于对器件的选择，将输出电流的波形进行了分解。

其中Id为输出电流的有效值，iβ0为器件上电流的基波分量，iβ为器件上的电流。

3 实验与结果
本文以三角波频率550Hz，正弦波频率50Hz为例介绍了死区补偿的方法，但在实际应用中三角波频率要大得多，这里选取550Hz目的是为了便于分析。
在实验中，开关频率为10kHz，正弦波频率为50Hz，取L1=1．15mH，L2=0．1mH，C=90μF，负载为纯阻性，满载时为8欧姆，死区时间Td设置为2μs。
通过实验得出补偿前后的波形图如图6所示。

4 结束语
在死区时间内，由于续流的缘故输出电压波形发生了畸变，通过对波形进行等效的补偿可以得到准正弦波。推理和实验均证明该方法能较好地对逆变器桥路输出电压进行补偿。该方法简单实用，易于实现，具有一定的工程使用价值。