单相桥式PWM逆变器死区补偿的方法

 

　　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。

　　

 

　　

 

　　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i<0时，情况相反。

　　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i<0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i<0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。

　　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。