單相橋式PWM逆變器死區補償的方法 - 全文

　　橋式PWM 逆變器中，為了防止同橋臂開關器件直通，需要在其互補驅動信號中設置死區，但同時會導致輸出電壓基波幅值降低并產生低次諧波等。為改善輸出電壓波形，可采取多種方法，相關資料也介紹了死區補償的方法，但未能采用圖文形象、直觀的介紹死區補償的過程，而采用純數學推理和文字說明較抽象，不易理解。本文詳細介紹了一種死區補償的方法。

　　1 單相橋式PWM逆變電路

　　在采用IGBT作為開關器件的單相橋式PWM逆變電路中，假設負載為阻感負載。工作時V1和V2的通斷狀態互補，V3和V4的通斷狀態也互補。逆變橋的主回路由左右橋臂組成，每個橋臂有兩個IGBT，每一個開關器件都有一個PWM波控制其導通，且同一橋臂上的兩功率開關器件不能同時導通，否則會導致直流電壓短路。考慮到在感性負載下二極管VD1、VD2、VD3、VD4存在著續流的現象，且逆變橋同一橋臂上的兩個IGBT不能同時導通，所以在逆變電路中存在著五種開關狀態，具體情況如表1所示。單相橋式刪逆變電路如圖1所示。

　　2 PWM控制過程的分析

　　2.1 PWM的產生機制

　　本文采用調制法產生PWM波形，采用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關系且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調制信號波相交時，如果在交點時刻對電路中開關器件的通斷進行控制，就可以得到正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。

　　本文設置三角波頻率為550Hz，正弦波頻率為50Hz，通過調制法得到每個IGBT的PWM波形圖如圖2所示。

　　2.2 死區補償

　　在電壓型逆變電路的PWM控制中，同一相上下兩個橋臂的驅動信號都是互補的。但由于IGBT的截止時間約為200多納秒，導通時間約為100多納秒，開通速度比關斷速度快。如果在一個IGBT截止的同時讓此橋臂的另一個IGBT導通，將會出現上下兩個橋臂直通而短路的現象。為了防止發生這一現象，必須在開通和關斷信號之間設置一個死區時間，因而理想的調制信號和開關管輸出的實際信號之間存在偏差。死區時間的存在導致輸出電壓波形產生畸變，降低了基波幅值，增加了負載的諧波損耗。

　　為了避免橋臂直通設置的死區時間雖然寬度很小，僅占開關周期的百分之幾，單個脈沖不足以影響整個系統的性能，但由于開關頻率較高，其積累效應足以使輸出波形發生畸變并產生諧波干擾，所以有必要對死區效應進行補償。

　　在圖1所示的單相SPWM逆變電路中，設置死區前后的控制波形如圖3所示。

　　由圖3可知，由死區及續流所致，當i>0時，正向脈沖較理想時減小了Td，負向脈沖增加了Td;當i<0時，情況相反。

　　由于在死區時間內，存在V1、V2、V3、V4都不導通的情況。當電路為阻感負載時，由于電感中的電流不能突變，所以電路會在死區時間通過續流二極管續流。

　　通過比較可知，因為續流的緣故，死區時間內A、B點的電位不再為零。當i>0時，VD2、VD3續流形成回路，A端電位UA為-Ed/2，B端電位UB為+Ed/2;當i<0時，VD1、VD4續流形成回路，A端電位UA為+Ed/2，B端電位UB為-Ed/2。

　　A、B兩點之間電壓分別為，UAB=UA-UB，UAB'=UA'-UB'，可以看出，原來處于死區時間內電壓為0的區域在續流的作用下變得有電壓了。電壓的大小由電流的方向決定，當i>0時，VD2、VD3續流形成回路，輸出電壓UO=UA-UB為-Ed;當i<0時，VD1、VD4續流形成回路，輸出電壓UO=UA-UB為+Ed。

　　由于受續流的影響，輸出電壓和輸出電流存在相位差φ，降低了系統的功率因素。為了提高功率因數，需要對波形進行死區補償。

　　圖4是在死區時間Td內A點和B點的電位。圖中虛線部分面積和Td時間內產生的UA"(或UB")的面積大小相等。