单相PWM整流器死区补偿方法
单相SPWM逆变器的死区效应分析和补偿策略_李剑
图 4 2种常用的死区补偿方法
在传统的死区分析中 , 误差电压是仅与输出 电流的极性相关且幅值恒定的正负方波。 如果没 有检测误差 , 这 2种开环补偿方案都能够对死区 效应实现精确补偿 , 但实际情况并不是这样 [3 ]。考 虑到开关管的通态管压降和开关时间的影响 , 以 IGBT 为例 , 设开通时间为 ton (包括开通延迟时间 和电流上升时间 ) , 关断时间为 toff (包括存储时间 和电流下降时间 ) , IGBT 的导通压降为 V sat , 二极 管的导通压降为 V d。以电流 i 流出桥臂为正方向 , 在 1个开关周期内取平均值进行分析 。 1)当电流 i> 0时 , 若 D 2 导通 , V dc V AN 1= - 2 - V d 若 T1 导通 , 14
V AN2= 如图 5g 所示 , V AN =
V dc - V sat 2
1 { (Δt+ tD+ ton - toff ) V AN1+ TC [ T C - (Δt+ tD+ ton - toff ) ]V AN2 }
V dc V dc * 1 V AN = T C Δt ( )+ ( T C - Δt ) 2 2 ∴ V e = V AN - V AN tD - ( toff - ton ) = - [ ( V dc + V d - V sat ) + TC * V d+ V sat V + ( s at - V d ) ] 2 V dc V
2 基本概念
单相全桥 SPW M 逆变器的主电路结构如图 1所示 ,其控制电路一般采用双极性 SPW M 调制 技术 。在理论上 ,同 1桥臂 2个开关管的驱动信号 应严格互补。 由于开关管实际上都存在一定的开 12
死区补偿
1 引言目前，小功率通用或专用变频器以及交流变频家电产品大多采用典型的交-直-交电压型逆变器(vsi)结构，逆变实现一般采用双极性pwm 调制技术，即在同一逆变桥臂上、下2个开关管施加互补的触发信号。
由于开关管自身的特性:开通和关断都需要一定的时间，且关断时间比开通时间要长。
因此，若按照理想的触发信号控制开关管的开通和关断，就可能导致同一桥臂的2个开关管直通而损坏开关器件。
为了防止这种直通现象的发生，必须在它们开通和关断之间插入一定延时的时间，这个延时时间就称为死区。
死区时间内2个开关管都处于关断状态，负载电流通过反并联二极管续流，负载电压不受开关管控制，由此造成负载电压波形发生畸变，逆变器的平均输出电压降低，并产生与死区时间以及调制比成正比的3，5，7，…次谐波分量，进而影响到电动机的输入电流和运行质量。
当逆变器工作在低输出频率、开关频率较高和负载感性很弱时这种影响相当严重[1,2]。
为此，需要对死区的影响进行补偿，以提高变频器的输出性能和改善电动机的运行工况。
常用的补偿方法有电流反馈型和电压反馈型，也有单边补偿与双边补偿、纯硬件补偿与硬件软件结合补偿等具体手段，但其工作原理相似，都是产生一个与死区引起的误差波形反向的波形，以抵消死区的作用[3,10]。
motorola公司推出的电动机专用控制芯片mr16内部集成了专门的死区补偿硬件电路，只需要简单的外围电流极性检测和简单的软件编程就可以实现可靠的死区补偿[11]。
2 死区补偿原理分析2.1死区对输出电压的影响在理想情况下，功率开关管开通和关断都是瞬时完成，不存在开通和关断时间，因而也就不存在死区时间。
但实际情况是功率开关管并非理想开关，而且关断时间比开通时间要长。
为了使功率开关管工作安全，在其开通之前插入死区td，即让该桥臂的2个开关管在td时间内都处于关断状态。
由于死区时间td的存在，使得功率开关管的导通时间缩短，引起pwm脉冲宽度和电位的丢失，进而影响到逆变器输出的平均电压。
PWM逆变器死区影响的几种补偿方法
PWM 逆变器死区影响的几种补偿方法摘要：分析逆变器死区对输出电压的影响以及几种常用的补偿方法。
关键词：死区 补偿 逆变器 脉宽调制1 1 引言引言引言 死区可以避免因桥臂开关管同时导通的故障，但死区同时也引起反馈二极管的续流，使输出电压基波幅值减小，并产生出与死区时间△t 及载波比N 成比例的3、5、7…次谐波，这是设置死区带来的缺点。
这个缺点对变频调速系统的影响最为显著。
特别是在电机低速运行时，调制波角频率ωs 减小，使载波比N 相对增大，因此，死区△t 中二极管续流引起的基波幅值减小，和3、5、7…次谐波的增大更加严重。
在这种情况下，为了保证系统的正常运行，就必须对死区中二极管续流的这种不良影响进行补偿。
常用的最基本补偿方法有两种：一种是电流反馈型补偿，另一种是电压反馈型补偿。
它们的共同补偿原理就是设法产生一个与二极管续流引起的误差电压波形相似、相位相差180°的补偿电压ucom，来抵消或减弱误差波的影响。
所谓误差波，就是由反馈二极管续流而引起的误差电压。
三相半桥式SPWM 逆变器电路图见图1。
2 2 电流反馈型补偿电流反馈型补偿电流反馈型补偿 死区设置方式有两种，即双边对称设置和单边不对称设置。
现以双边对称设置方式为例来进行说明，其结果对单边不对称设置方式也同样适用。
带死区的SPWM 逆变器在感性负载时，基波幅值的减小与3、5、7…次谐波幅值的增大都与Δtωc=ΔtNωs 成正比（ωc 为SPWM 中三角波电压的角频率），随着死区时间△t 及载波比N 的增加，输出电压基波幅值将减小，3、5、7…次谐波幅值将比例增大。
当ωs 减小N 相对增大时，这种影响进一步加剧。
为了保证逆变器的正常运行，就必须消除这种不良影响。
加入补偿电路就能很好地达到这个目的。
采用电流反馈型的补偿电路如图2所示。
通过检测逆变器的三相输出电流，并把它变成三相方波电压分别加到各自的调制波us 上，例如将检测到的A 相电流iA，变成方波电压ui 加到A 相调制波us 上，方波电压ui 使逆变器产生一个与电流iA 相位相同，与误差波uD1.4波形相似，但与uD1.4相位相反的补偿电压ucom,如图3所示。
一种补偿PWM逆变器死区效应的新方法 (1)
流而损坏器件，因此必须插入死区。死区时间 Ｔｄ 的 插入是通过延迟一个 Ｔｄ 长的时间给予开通信号， 在 Ｔｄ 内，两个功率管都停止导通，由于是感应负 载，故输出电流 ｉｏ 通过续流二极管 ＶＤ１ 和 ＶＤ２ 进 行流通，至于哪一个导通，则取决于 ｉｏ 的方向。当 ｉｏ＜０ 时，表示电流由电机流向逆变器，ＶＤ１ 导通；反 之，当 ｉｏ＞０ 时，表示电流由逆变器流入电机，ＶＤ２ 导 通。尽管逆变器的 Ｔｄ 很小，仅占开关周期 Ｔｓ 的百 分之几，单个脉冲不足以影响系统性能，但连续考
! " 即：
ａｖ
Ｕｄ，ｑ
［ｋ］＝ｅｄ，ｑ （ｋ）＋
Ｌ Ｔ
ｒｅｆ
ｍｅａｓ
Ｉｄ，ｑ ［ｋ］－ Ｉｄ，ｑ ［ｋ］
（２）
根据式（１）和式（２）预测电流控制对于 ｄ，ｑ 每相
的控制方程可简写为：
ｕｋ＋１＝
Ｌｌ Ｔ
（ｉｋ＋１＊－
ｉｋ）＋ｅ!ｋ
（３）
式中 Ｌｌ—— —电机的总漏电感 Ｔ—— —采样周期 ｕｋ＋１—— —第 ｋ＋１ 时刻的期望电压
带积分反馈预测电流控制算法的 ｉａ 波形。图 ５ 表明， 所提算法对逆变器死区效应的补偿效果很好。
值接近零，则当 ｉｏ 下降到零后，由于二极管承受了反
压，阻止了 ｉｏ 的反向流动，在死区的剩余时间内，ｉｏ 将
保持为零，桥臂的 ｕｏ 也为零。由此可见，在零电流箝
位 现 象 发 生 时 ，ｕｏ
也存在着波形畸
变。图 ３ 示出因死
区导致的零电流
图 ３ 死区导致的零电流箝位现象 箝位现象。
３ 死区效应补偿
＝ｕｋ＋１ ＝ｕｋ＋２
＊－ ０－ ２Ｕ ＊＋２Ｕ ｄｔ
Ｔ
ｄｔ Ｔ
－ ２Ｕ
ｄｔ Ｔ
单相PWM整流器比例谐振控制与前馈补偿控制
单相PWM整流器比例谐振控制与前馈补偿控制李立;赵葵银;徐昕远;朱建林【摘要】提出了单相PWM整流器比例-谐振控制(PR)与无延迟前馈补偿控制的策略.系统由比例-谐振控制器、快速的相角估计器和无延迟前馈补偿器组成.与传统的PI控制器和多频率比例-谐振电流控制器相比,该比例谐振控制器结构简单,能显著减少控制延迟时间.通过理论分析,提出的用电网电压和电流的估计值与单步预测值来实现的无延迟前馈补偿器,可避免因延时引起的不良影响、测量噪音及补偿过程中产生的电网电压谐波分量.仿真分析与实验结果验证了系统具有较好的稳态性能和更好的抗扰性能.【期刊名称】《电力系统保护与控制》【年(卷),期】2010(038)009【总页数】6页(P75-79,95)【关键词】PWM整流器;比例-谐振控制;前馈补偿器;相角估计器;延迟时间【作者】李立;赵葵银;徐昕远;朱建林【作者单位】湖南工程学院电气信息学院,湖南,湘潭,411101;湖南工程学院电气信息学院,湖南,湘潭,411101;湖南省电力公司长沙电业局,湖南,长沙,410015;湘潭大学,湖南,湘潭,411105【正文语种】中文【中图分类】TM770 引言PWM 整流器具有输入电压电流同相位、可实现单位功率因数、可四象限运行等诸多优点，因而具有广泛的应用前景[1-3]。
目前常用的电流控制方法有PI、滞环控制。
PI控制具有算法简单和可靠性高的特点，且常规的PI控制只能消除直流参考信号的稳态误差，对给定值中的交流分量难以进行无差跟踪[4-8]。
滞环控制具有电路简单、动态响应快的特点，但是开关频率、损耗及控制精度受滞环宽度的影响[4]。
对交流信号而言，比例谐振控制在基波频率处增益无穷大，可以实现系统零稳态误差[7,9]。
本文利用比例谐振控制算法能够在静止坐标系下对交流信号进行无静差调节的优势[10]，并考虑比例-谐振(Proportional-resonant -PR)控制算法虽然控制精度很高，但实时性却不够[11]，提出一种新的单相PWM整流器的PR控制策略。
具有谐波补偿功能的单相PWM整流器研制
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三相PWM整流器的死区效应分析及补偿方法
Project Supported by National Nat ural Science Foundation of China (50777026) .
故 。因此 ,死区作为一种防止直通的保护措施被广 泛使用 ,是非常有必要的 。 死区时间 tdt 的加入 ,会对变换器的波形产生一 定的影响 ,称之为死区效应 。国内外学者已经对死 区效应做了许多有益的研究并提出了一系列改善措 施 [ 7215 ] 。文献 [ 1 ] 分析了死区对单相整流器交流侧 电压的影响 ,文献 [ 2 ] 分析了死区对逆变器输出波形 的影响 ,并提出了基于时间和电压的补偿方法 ,文献
当 ia < 0 时 ,也可以作类似的分析 , U AN 从 0 变 成 U dc 的时刻为 t2 ,即由 T1 的开通时刻决定 ; U AN 从 U dc 变成 0 的时刻为 t3 , 即由 T1 的关断时刻决定 。 从以上分析可以发现如下的规律 : 由于交流相电流 存在一个续流的阶段 , 开关周期又比基波周期小很 多 ,故一个开关周期内电流 ia 可以看作是方向不变 的直流信号 ,交流侧电压 U AN 由导通方向与 ia 方向 一致的那个开关管的实际开关脉冲决定 ,即 : 当 ia > 0 时 , U AN 由 T2 的开关脉冲 UA ′ N 决定 , 如图 2 ( f ) 所 示 ; 反之 ia < 0 时则由 T1 的开关脉冲 U″ AN 决定 , 如 ( ) 图 2 g 所示 。
U AO = - S b - Sc
3
U dc 。
( 3)
・1158 ・ May 2009
High Voltage Engineering
Vol . 35 No . 5
单相桥式PWM逆变器死区补偿的一种方法
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 。
２
一Ｅｅ２ Ｅａ２ ／ ／ 一
模 态 号
１ Ｅ ２ 一 ／ ｌ Ｅａ ２
‰
导 通 器件 Ｖ 和Ｖ 当ｉ０ １ ４（ ｉ ） ＞ Ｖ Ｄ 当ｉ０ Ｄ 和Ｖ ４（ ｉ ） ＜ Ｖ ２ Ｄ 当 ０ Ｄ 和Ｖ ３（ ｉ ） ＞ Ｖ和 Ｖ 当ｉ０ ２ ３（ ） ＜ Ｖ 和Ｖ ３ 当 ｉ ） ｌ Ｄ （ ０ ＞
关 键词 ：死 区补 偿 ；脉 冲宽度 调制 ；逆 变器
桥 式Ｐ ＷＭ逆 变 器 中 ，为 了防止 同桥 臂开 关 器
以在 逆 变 电路 中存 在 着 五 种 开关 状 态 ，具 体 情 况
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
１ Ｊ Ｕ Ｕ Ｕ Ｕ ＩＪＬ Ｌ Ｌ Ｌ “ ＿ ０ ＿ － ＿ ＿ Ｖ Ｊ Ｊ Ｊ
１ ｎ ｎ ｎ 几 ］ｒ 『 ｒ ０ ５ Ｖ Ｔ 『 ＿ ］ ］ｒ ］厂 １ ＪＬ Ｌ Ｌ Ｌ Ｕ Ｕ Ｕ Ｕ “ ０ Ｖ ＿ 三Ｊ Ｊ Ｊ －
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１ ｎ 几 ｎ ｎ ０ ５ Ｖ 广
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１ Ｖ ５ ０ Ｖ
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Ｉ ｌ
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ｌ
流 形 成 回路 ，Ａ端 电位 为一 ｄ ，Ｂ 电位 为 ＋ Ｅ２ 端 ＥＩ ；当ｉ０￣，Ｖ １ Ｄ 续 流形 成 回路 ，Ａ 电位 ｆ ／ ２ ＜Ｈ Ｄ 、Ｖ ４ 端 为＋ ｇ ，Ｂ 电位 为一 ２ Ｅ２ 端 。
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单相PWM整流器死区补偿方法作者：赵鲁李耀华葛琼璇任晋旗马逊
来源：《电机与控制学报》2015年第06期
摘要：为解决单相整流器死区效应导致相电压和相电流畸变、零电流钳位效应等问题，分析死区和零电流钳位效应，提出一种基于网侧电压谐振控制器锁相环的观测值进行判断，对单相PWM整流器死区时间进行补偿的新方法。
该方法避免了电流检测中的噪声，使得过零点检测更加精确，不会引起相位延迟，并与根据电流值进行直接补偿的方法进行对比分析。
所提出的方案能够有效地改善电流波形的正弦程度，且消除了传统方案需要检测电流方向的弊端，同时算法实现简单，具有工程实用价值。
仿真和实验结果表明基于网侧电压观测值进行死区补偿方法使网侧输入电流总谐波畸变率更小、补偿效果更明显。
关键词：死区补偿；单相整流器；死区效应；锁相环；谐振控制器
中图分类号：TM464
文献标志码：A
文章编号：1007-449X（2015）06-0006-08。