变频器逆变单元死区效应分析及其补偿

王旭阳，刘文生，张广远

（大连交通大学电气信息学院，辽宁大连 116028）

1 引言

基于恒压频比控制的通用变频器广泛应用于现代交流调速系统中，在逆变器输出中，为了防止同一桥臂的上下两个IGBT直通，需加入4到10微秒的死区时间。虽然死区时间很短，单个脉冲不足以影响系统性能，但连续一个周期的效应积累却会对输出电压产生很大的影响。尤其在低速及调制度很高时，死区会使输出电压含有很大谐波分量，电流波形发生畸变，产生转矩脉动等。这也是造成V／f控制的通用变频器低速时带载能力差，甚至使电机产生抖动，稳定性不好的重要原因之一，造成了通用变频器应用领域范围的减少。因此对逆变器进行死区补偿是非常有必要的［1-3］。

死区补偿方法主要是对死区误差进行电压补偿，或者对损失的PWM脉冲宽度在软件上进行时间的补偿，使实际的开通时间与理想导通时间相一致［4］。这些方法一般都需要负载电流的极性，但电流在过零点时会产生“零点箝位”，因此提高电流检测的精度对死区补偿至关重要。

本文详细分析了死区对输出电压的影响，并在通用变频器现有的硬件基础上，在尽量不增加硬件电路的前提下，对死区补偿方法进行了研究。由于电流检测器件本身以及外界干扰会造成电流零漂，针对零漂现象在软件上进行了自适应零点调整。并在零电流区域内，设置了电流零点阈值，可以有效改善电流畸变。通过仿真和实验，验证了该死区补偿方法的有效性。

2 死区效应分析

2.1 电压误差波分析

电压型逆变器误差波的产生是由于死区时间内的IGBT反并联的二极管续流造成的电压突变引起的。以A相桥臂为例，进行分析，电流方向如图1所示。

图1 逆变器A相桥臂电流方向

假如负载为感性负载，当ia＞0时，在死区时间内，电流通过VD4续流，如图2所示，输出电压会减少TdUd的脉冲；同理当ia＜0，死区时间内，电流通过VD1续流，输出电压会增加TdUd的脉冲。其中Ud为直流母线电压，td为死区时间，ton为IGBT导通时间，toff为 IGBT 关断时间，Td＝td+ton-toff。

图2 A相电压波形

由以上分析可知，根据电流极性不同，实际的输出电压与理想输出电压在每个脉冲周期里都会相差一个脉冲误差电压。采用等时间电压面积法［5］，可得等效的误差电压为：

其中：fs为调制波频率，fc为载波频率。

加入死区的实际输出电压电流波形如图3所示。

其中图3（a）为理想的调制电压信号和理想的负载电流，（b）为加入死区的电压等效误差波，（c）为实际的输出电压。实际输出电压应为理想电压波形与死区产生的电压误差波的叠加。在电流过零点时，电压误差波极性也会随之改变，这样逆变器在电流过零点时的输出电压会发生突变。图（d）为实际的输出电流波形。若负载为感性负载，电流在过零点时存在“零点箝位”现象［6］。

图3 实际输出电压电流波形

2.2 死区效应对输出电压的影响

将图3（b）中电压误差波进行傅里叶分析，为分析方便，先假设，则

对A相理想的逆变器输出电压进行傅里叶展开为：

由于死区的影响，实际输出电压波形应为理想波形与误差波相加，忽略上式高次谐波，仅考虑死区对输出电压基波的影响。可得：

由式（6）可以看出，由于3的倍数次谐波相位相同，互相抵消，所以输出电压中不含3的倍数次谐波。忽略高次谐波，则上式变为：

其中：

为了说明加入死区对线电压基波的影响程度，引入电压影响系数F，定义为：

由以上分析可得：

在V／f控制系统中fs／m是一个常数，图4为不同载波比N时，影响系数F与相位角φ之间的关系，其中Td＝5μs，由图4可以看出，载波比越大，负载角越小，则影响越大。图5为不同Td时，影响系数F与载波比N之间的关系，由图5可知，死区时间越大，载波比越大，则影响越大。

图4 不同N时，F与φ之间关系

图5 不同Td时，F与N之间关系

2.3 零点箝位现象

当电流在死区时间内接近零时，还会出现零电流箝位现象。以A相桥臂为例，在死区时间内，当电流由负向正过渡时，此时上下桥臂开关管处于关断状态，且二极管阻断，在电流到达零后将一直保持为零，出现零电流箝位现象。使电流在过零点附近加重畸变，如图6所示。

图6 零点箝位现象

3 死区补偿方案

一种补偿方法是对死区误差进行电压补偿，即将正弦调制信号根据电流极性按照式（1）得到的偏差电压进行修正，即

但这是一种平均补偿方法，实时性和准确性都不高［7］。为避免平均电压补偿的不足，采用在每个PWM周期都进行死区补偿的时间补偿方法。忽略开关管和二极管的导通压降，则每个PWM周期的死区误差时间为：

根据电流极性的不同，在软件里实时调整每个PWM周期的CMPR值，对PWM的占空比进行实时修正，使实际输出的PWM占空比与理想的占空比相一致，消除死区对输出电压的影响。

死区补偿软件流程如图7所示，其中TBPRD为基准计数器的周期寄存器值，T为PWM采样周期。CMPA为A相输出的PWM比较寄存器值。

图7 死区补偿软件流程图

小功率通用变频器三相电流检测一般采用电阻取样检测，DSP的AD采样允许电压范围为0～3V，因此必须对检测到的三相交流电流进行电压偏移，为提高检测精度，采用HCPL 788芯片实现电压偏移及隔离。电流检测隔离电路如图8所示。其中U为电阻采集电压，V-OUT为隔离后的输出电压。

图8 电流检测隔离电路

由于检测电路本身以及外界干扰会造成电流零点漂移，使AD采样的初始零点不准确。为防止零点漂移，在软件上进行了自适应零点调整，即每次变频器上电开始，在还未运行之前，先对零电流进行检测，滤波之后自动调整为现在的零点位置，提高了电流的检测精度。

零点箝位现象，会造成零点电流极性检测困难，所以在电流检测零点附近设置电流阈值Δi，在±Δi之内不对其进行死区补偿，防止因检测不准确造成的误补偿。

4 仿真分析

首先在MATLAB上对死区效应进行了仿真研究，电机额定功率 5.5kW，定子电阻 3.137Ω，定子漏感为 0.01245H，转子电阻为 2.546Ω，转子漏感为0.01236H，极对数2，死区时间10μs，开关频率5kHz。由图9可以看出，加入死区后电流波形发生明显的畸变，同时谐波含量增加，5次和7次谐波分量增加严重。如图10所示为加入死区的A相电流谐波。由图11可知，经过死区补偿后波形得到很大改善，谐波分量减少。

5 实验结果

对上述补偿方法进行了实验验证，电机为5.5kW异步电机，控制器采用TMS320F2808 DSP，逆变模块采用7MBR25SB120型IGBT，死区时间4μs，开关频率5kHz，图13和图14分别是输出3Hz时，未补偿和补偿后的电流波形，图15和图16分别是输出10Hz时，未补偿和补偿后的电流波形，由图可知经过死区补偿后，有效地改善了电流波形畸变，验证了补偿方法的有效性。

图9 加入死区的A相电流波形

图10 加入死区的A相电流谐波

图11 经过死区补偿的A相电流波形

图12 经过死区补偿的A相电流谐波

图13 输出3Hz死区未补偿电流波形

图14 输出3Hz死区补偿后电流波形

图15 输出10Hz死区未补偿电流波形

图16 输出10Hz死区补偿后电流波形

6 结论

死区效应使输出电压和电流波形产生畸变，本文详细分析了死区对输出电压基波的影响，并对死区补偿进行了研究，针对电流检测的零漂以及零点箝位现象，进行了零点自适应调整和零点阈值设置，仿真和实验验证了补偿的有效性，对现有的通用变频器提供了一种可行的死区补偿方案。

［1］于 泳，魏彦江，王高林.IGBT的死区补偿方法研究［J］.电力电子技术，2007，41（12）：126-128.

［2］梁希文，蔡丽娟.逆变器死区效应傅里叶分析与补偿方法［J］.电力电子技术，2006，40（6）：118-120.

［3］Hyun-Soo Kim，Kyeong-Hwa Kim，Myung-Joong Youn，et al.On-Line Dead-Time Compensation Method Based onTimeDelayControl［J］.IEEETransactionsonControl Systems Technology，2003，11（2）：279-285.

［4］倪 超，陈 斌.一种逆变器死区效应补偿方法［J］.电力电子技术，2010，44（11）：75-77.

［5］刘军锋，李叶松.死区对电压型逆变器输出误差的影响及补偿［J］.电工技术学报，2007，22（5）：117-122.

［6］张永锋.DSP控制SPWM逆变器死区问题的研究［D］.合肥工业大学，2007.

［7］窦汝振，刘 钧.一种基于SVPWM控制的死区补偿方法［J］.电气传动自动化，2005，1（20）：20-22.