1引言
在PWM三相逆變器中，由于開(kāi)關(guān)管存在一定的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間，為防止同一橋臂上兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的直通現(xiàn)象，控制信號(hào)中必須設(shè)定幾個(gè)微秒的死區(qū)時(shí)間。盡管死區(qū)時(shí)間非常短暫，引起的輸出電壓誤差較小，但由于開(kāi)關(guān)頻率較高，死區(qū)引起誤差的疊加值將會(huì)引起電機(jī)負(fù)載電流的波形畸變，使電磁力矩產(chǎn)生較大的脈動(dòng)現(xiàn)象，從而使動(dòng)靜態(tài)性能下降，降低了開(kāi)關(guān)器件的實(shí)際應(yīng)用效果。
本文從分析死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理入手，尋求死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償方法。
2死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生
利用逆變器中的一個(gè)橋臂(如圖1)來(lái)討論。它包括上下開(kāi)關(guān)器件V1和V2，續(xù)流二極管D1和D2，連接兩只功率器件的控制信號(hào)來(lái)自PWM發(fā)生器，產(chǎn)生兩個(gè)基本的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ub1和ub2。輸出電壓接電機(jī)負(fù)載，設(shè)電流i流向負(fù)載的方向?yàn)檎?/span>
在上下兩只功率管轉(zhuǎn)換時(shí)，分為V1由通到斷與V2由斷到通或V2由通到斷與V1由斷到通兩種情況，必須注入死區(qū)時(shí)間使上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管均不導(dǎo)通，此時(shí)輸出電流將由D1或D2續(xù)流，這取決于電流i的方向，而輸出電壓將會(huì)因死區(qū)時(shí)間而被延遲，如圖2所示。
由圖2可見(jiàn)，輸出理想波與實(shí)際波之間將會(huì)引起誤差波。若忽略開(kāi)關(guān)器件的存儲(chǔ)時(shí)間及脈沖上升與下降時(shí)間，誤差波可認(rèn)為是矩形波。
圖1逆變器的一個(gè)橋臂
圖2死區(qū)誤差及矯正波形圖
3死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償
31調(diào)整參考波形的補(bǔ)償方法
假定開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于基波頻率，輸出電流為正弦波，每一死區(qū)引起的電壓誤差近似相等，則死區(qū)時(shí)間對(duì)基波電壓的影響可用電流正負(fù)半周的平均電壓誤差來(lái)表示。
每個(gè)死區(qū)的誤差波面積為：Δe=tdUd(1)
式中：td——死區(qū)時(shí)間（μs）
Ud——直流電源電壓（V）
則在每一個(gè)基波周期內(nèi)的誤差平均值為：
ΔU=sign(i)Ud(2)
式中：M——每一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)的次數(shù)
T——基波周期（μs）
可見(jiàn)，電壓損失與電流幅度無(wú)關(guān)，與電流方向有關(guān)。平均誤差電壓對(duì)逆變器影響的波形如圖3所示。其中ur為理想基波。若負(fù)載為感性，則電流滯后ur的角度為φ′。平均誤差電壓ΔU為矩形波，與電流i成反向關(guān)系，分解后基波為Δu1。則實(shí)際基波電壓u1為理想基波ur與誤差基波Δu1的疊加。
在正弦調(diào)制PWM逆變器中，控制脈寬波形的實(shí)現(xiàn)是由參考波與調(diào)制波比較后獲得。因此，死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償可以根據(jù)負(fù)載電流的方向調(diào)整參考波而實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)以上分析，可以構(gòu)造出死區(qū)補(bǔ)償電路如圖4所示。
器件A1檢測(cè)負(fù)載電流i的方向，A2的輸出為一矩形波，該矩形波加到參考波中，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)整后的參考波。當(dāng)i>0時(shí)，使參考波變得更正；當(dāng)i0時(shí)，使參考波變得更負(fù)。根據(jù)這樣適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，死區(qū)時(shí)間引起的誤差可以消除，輸出基波電壓將與原參考波相同。在圖4中，R2為增益調(diào)整，使方波幅值與誤差平均波幅值ΔU相等。R2與死區(qū)時(shí)間和開(kāi)關(guān)頻率成正比。R3為偏置調(diào)整，是考慮各功率開(kāi)關(guān)管的時(shí)間延遲不相等引起的正負(fù)電壓不平衡而設(shè)置的。
該電路適用于正弦調(diào)整PWM逆變器，脈寬必須由參考波與調(diào)制波直接比較獲得，該補(bǔ)償方式需要一個(gè)電流傳感器反饋電流的方向。其特點(diǎn)是硬件電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
32基于脈沖調(diào)整的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償
圖3死區(qū)時(shí)間對(duì)基波的影響
(a)感性負(fù)載時(shí)的波形(b)分解后的基波Δu1
圖4死區(qū)補(bǔ)償電路
根據(jù)圖2的死區(qū)效應(yīng)分析，還可以利用軟件編程方法通過(guò)改變開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)。只需檢測(cè)負(fù)載電流的極性，無(wú)需檢測(cè)電流的相位，將電流極性傳遞到微處理器的數(shù)據(jù)線即可，具體方法如下：
當(dāng)i>0時(shí)，圖2(a)為理想波，圖2(b)給出死區(qū)時(shí)間引起的實(shí)際波與無(wú)死區(qū)時(shí)間理想波之間的誤差。為消除該誤差，可以利用軟件改變脈沖時(shí)間，如圖2(c)。在死區(qū)時(shí)間發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)不對(duì)稱脈沖之前另加一個(gè)正脈沖，這個(gè)正脈沖與死區(qū)時(shí)間合成后，產(chǎn)生的實(shí)際波與理想波在寬度和位置上均相同，如圖2(d)；當(dāng)i0時(shí)，圖2(e)，在有死區(qū)時(shí)間的情況下產(chǎn)生的實(shí)際波與理想波相比，增加了一段正脈沖，若在死區(qū)時(shí)間發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)不對(duì)稱的死區(qū)脈沖之前加一段負(fù)脈沖，則合成后的實(shí)際波與理想波在寬度和位置上均一致。
圖5基于脈沖調(diào)整的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償流程圖
本方法可以利用80C196MC電機(jī)控制專用芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片內(nèi)含一個(gè)PWM波形發(fā)生器，在死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器之前調(diào)整波形發(fā)生器的脈沖時(shí)間對(duì)死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。該方法與載波頻率無(wú)關(guān)，只與負(fù)載電流極性相關(guān)。以U相開(kāi)關(guān)管信號(hào)發(fā)生器為例，用負(fù)載電流的極性和一個(gè)表示down/up的計(jì)算狀態(tài)變量CNT為依據(jù)編程，down表示開(kāi)關(guān)管打開(kāi)，up表示開(kāi)關(guān)管關(guān)閉。由此來(lái)決定校正時(shí)是否需要加或減脈沖的時(shí)間。利用軟件產(chǎn)生理想運(yùn)行的開(kāi)關(guān)時(shí)間ton和toff。死區(qū)td預(yù)先存儲(chǔ)于波形發(fā)生器的控制寄存器中，由電流檢測(cè)器不停地由數(shù)據(jù)總線更新電流極性，由來(lái)自波形發(fā)生器的中斷信號(hào)更新變量CNT的狀態(tài)。
當(dāng)i>0時(shí)，CNT為down狀態(tài)時(shí)，軟件需在ton上加一個(gè)td脈沖，并存于ton中，再送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中去。死區(qū)計(jì)數(shù)器提供兩個(gè)互補(bǔ)的PWM控制信號(hào)去控制上下兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管。當(dāng)i>0且CNT為up時(shí)，toff不需校正，toff直接送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死時(shí)計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中。
當(dāng)i0且CNT為up時(shí)，ton不需校正，直接送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死時(shí)計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中。當(dāng)i0且CNT為up時(shí)，toff需減去一個(gè)脈寬td,存儲(chǔ)于toff中，再送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中。流程圖如圖5所示。
圖5 基于肪沖調(diào)整的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償流程圖
4結(jié)論
本文對(duì)PWM逆變器的死區(qū)效應(yīng)給出了兩種補(bǔ)償方法，即調(diào)整參考波形的補(bǔ)償方法和基于脈沖調(diào)整的補(bǔ)償方法，它們的共同之處是只需檢測(cè)負(fù)載電流的方向，不需檢測(cè)電流的相位，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單方便。這兩種補(bǔ)償方法有利于改善逆變器的輸出波形，減少電壓畸變。