1引言
在PWM三相逆變器中，由于開關(guān)管存在一定的開通和關(guān)斷時間，為防止同一橋臂上兩個開關(guān)器件的直通現(xiàn)象，控制信號中必須設定幾個微秒的死區(qū)時間。盡管死區(qū)時間非常短暫，引起的輸出電壓誤差較小，但由于開關(guān)頻率較高，死區(qū)引起誤差的疊加值將會引起電機負載電流的波形畸變，使電磁力矩產(chǎn)生較大的脈動現(xiàn)象，從而使動靜態(tài)性能下降，降低了開關(guān)器件的實際應用效果。
本文從分析死區(qū)效應的產(chǎn)生機理入手，尋求死區(qū)效應的補償方法。
2死區(qū)效應的產(chǎn)生
利用逆變器中的一個橋臂(如圖1)來討論。它包括上下開關(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來自PWM發(fā)生器，產(chǎn)生兩個基本的驅(qū)動信號ub1和ub2。輸出電壓接電機負載，設電流i流向負載的方向為正。
在上下兩只功率管轉(zhuǎn)換時，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)時間使上下兩個開關(guān)管均不導通，此時輸出電流將由D1或D2續(xù)流，這取決于電流i的方向，而輸出電壓將會因死區(qū)時間而被延遲，如圖2所示。
由圖2可見，輸出理想波與實際波之間將會引起誤差波。若忽略開關(guān)器件的存儲時間及脈沖上升與下降時間，誤差波可認為是矩形波。
圖1逆變器的一個橋臂
圖2死區(qū)誤差及矯正波形圖
3死區(qū)效應的補償
31調(diào)整參考波形的補償方法
假定開關(guān)頻率遠大于基波頻率，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)時間對基波電壓的影響可用電流正負半周的平均電壓誤差來表示。
每個死區(qū)的誤差波面積為：Δe=tdUd(1)
式中：td——死區(qū)時間（μs）
Ud——直流電源電壓（V）
則在每一個基波周期內(nèi)的誤差平均值為：
ΔU=sign(i)Ud(2)
式中：M——每一個周期內(nèi)開關(guān)的次數(shù)
T——基波周期（μs）
可見，電壓損失與電流幅度無關(guān)，與電流方向有關(guān)。平均誤差電壓對逆變器影響的波形如圖3所示。其中ur為理想基波。若負載為感性，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，控制脈寬波形的實現(xiàn)是由參考波與調(diào)制波比較后獲得。因此，死區(qū)效應的補償可以根據(jù)負載電流的方向調(diào)整參考波而實現(xiàn)。
根據(jù)以上分析，可以構(gòu)造出死區(qū)補償電路如圖4所示。
器件A1檢測負載電流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)生一個調(diào)整后的參考波。當i>0時，使參考波變得更正；當i0時，使參考波變得更負。根據(jù)這樣適當?shù)恼{(diào)整，死區(qū)時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)時間和開關(guān)頻率成正比。R3為偏置調(diào)整，是考慮各功率開關(guān)管的時間延遲不相等引起的正負電壓不平衡而設置的。
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，該補償方式需要一個電流傳感器反饋電流的方向。其特點是硬件電路簡單，易于實現(xiàn)。
32基于脈沖調(diào)整的死區(qū)效應補償
圖3死區(qū)時間對基波的影響
(a)感性負載時的波形(b)分解后的基波Δu1
圖4死區(qū)補償電路
根據(jù)圖2的死區(qū)效應分析，還可以利用軟件編程方法通過改變開關(guān)時間來補償死區(qū)效應。只需檢測負載電流的極性，無需檢測電流的相位，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i>0時，圖2(a)為理想波，圖2(b)給出死區(qū)時間引起的實際波與無死區(qū)時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間，如圖2(c)。在死區(qū)時間發(fā)生器產(chǎn)生一個不對稱脈沖之前另加一個正脈沖，這個正脈沖與死區(qū)時間合成后，產(chǎn)生的實際波與理想波在寬度和位置上均相同，如圖2(d)；當i0時，圖2(e)，在有死區(qū)時間的情況下產(chǎn)生的實際波與理想波相比，增加了一段正脈沖，若在死區(qū)時間發(fā)生器產(chǎn)生一個不對稱的死區(qū)脈沖之前加一段負脈沖，則合成后的實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)效應補償流程圖
本方法可以利用80C196MC電機控制專用芯片實現(xiàn)，該芯片內(nèi)含一個PWM波形發(fā)生器，在死區(qū)時間計數(shù)器之前調(diào)整波形發(fā)生器的脈沖時間對死區(qū)效應進行補償。該方法與載波頻率無關(guān)，只與負載電流極性相關(guān)。以U相開關(guān)管信號發(fā)生器為例，用負載電流的極性和一個表示down/up的計算狀態(tài)變量CNT為依據(jù)編程，down表示開關(guān)管打開，up表示開關(guān)管關(guān)閉。由此來決定校正時是否需要加或減脈沖的時間。利用軟件產(chǎn)生理想運行的開關(guān)時間ton和toff。死區(qū)td預先存儲于波形發(fā)生器的控制寄存器中，由電流檢測器不停地由數(shù)據(jù)總線更新電流極性，由來自波形發(fā)生器的中斷信號更新變量CNT的狀態(tài)。
當i>0時，CNT為down狀態(tài)時，軟件需在ton上加一個td脈沖，并存于ton中，再送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死區(qū)時間計數(shù)器處理后，應用到負載中去。死區(qū)計數(shù)器提供兩個互補的PWM控制信號去控制上下兩個功率開關(guān)管。當i>0且CNT為up時，toff不需校正，toff直接送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死時計數(shù)器處理后，應用到負載中。
當i0且CNT為up時，ton不需校正，直接送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死時計數(shù)器處理后，應用到負載中。當i0且CNT為up時，toff需減去一個脈寬td,存儲于toff中，再送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死區(qū)時間計數(shù)器處理后，應用到負載中。流程圖如圖5所示。
圖5 基于肪沖調(diào)整的死區(qū)效應補償流程圖
4結(jié)論
本文對PWM逆變器的死區(qū)效應給出了兩種補償方法，即調(diào)整參考波形的補償方法和基于脈沖調(diào)整的補償方法，它們的共同之處是只需檢測負載電流的方向，不需檢測電流的相位，實現(xiàn)起來比較簡單方便。這兩種補償方法有利于改善逆變器的輸出波形，減少電壓畸變。