PWM死区补偿

PWM死区--方法方法。该方法通过在线跟踪负载变化，自适应地计算出最优的电感电流过零区域宽度，以精确实现电流过零区域和电流非过零区域中死区效应的分别消除，从而在整个正弦调制周期内达到最佳的死区消除效果。与传统的死区消除和补偿方法相比，该方法对电流过零处电压畸变的抑制效果尤为明显，能有效地降低输出电压低次谐波含量，使THD明显减小。仿真和实验结果证明了该死区消除方法的有效性和实用性。关键词：死区消除在线脉冲宽度调制电压源型逆变器数字信号处理器中图分类号：TM464PWMVoltageSourceInvertersYangBoWuJiandeLiWuhuaHeXiangning（ZhejiangUniversityHangzhou310027China）PWMvoltagesourceinverters,basedontheanalysisofdead-timeeffectsandtheprincipleofdead-timeelimination.Trackingtheloadchangeon-lineanddeterminingdynamicallythecurrentdirection,thezerocurrentzoneandthenonzerocurrentzoneoftheoutputinductorarepreciselydistinguishedandtheoptimalwidthofthezerocurrentzoneisadaptivelycalculated.Furthermore,thedead-timeeffectsarecompletelyeliminatedinthewholesinusoidalmodulationcycle.Incomparisonwithtraditionaldead-timecompensationandeliminationmethods,theproposedmethodcansignificantlyrestraintheoutputdistortioninthezerocurrentzoneandreducethelow-frequencyharmoniccontentsandTHD.Thesimulationandexperimentalresultsdemonstratethevalidityandpracticabilityoftheproposedmethod.Keywords：Dead-timeelimination,on-line,pulsewidthmodulation,voltagesourceinverters,DSP1引言对于脉冲宽度调制（PWM）的电压源型逆变器（VSI）而言，由于实际开关器件的开关动作都需要一定的时间，因此为了防止同一桥臂上下两个开关器件产生“直通”现象，通常需要在互补的驱动信号之间加入一个死区时间。死区是为了保证开关器件安全、可靠运行而不得不采取的措施，但它的存在将导致逆变器输出产生基波电压损失、低次谐波增加、输出电流畸变等死区效应[1-5]。随着现代器件开关频率的不断提高，死区效应对逆变器输出电压和输出电流的影响也越来越严重，因此，对逆变器的死区进行消除和补偿变得更为重要。目前，国内外专家学者已经提出了大量的死区消除和补偿方法[6-15]。一类属于死区补偿方法，即从控制的角度出发，将死区产生的谐波视为外部扰动，应用各种反馈或前馈的控制算法，抵消死区效应。这类方法包括平均电压补偿法、预测电流控制补偿法、自适应控制补偿法、扰动观测器补偿法等国家自然科学基金资助项目(50777055,50737002)。收稿日期2010-03-02改稿日期2010-05-0646电工技术学报2011年11月等[6-11]。但由于死区效应和开关器件都具有非线性的特点，这类控制补偿的方法很难完全消除死区带来的谐波。另一类属于死区消除方法，即从死区产生的原理出发，根据输出电感电流方向的不同，只允许同一桥臂中相应的一个开关器件进行开关动作，从而避免了“直通”现象的产生，不再需要设置死区时间[12-15]。但由于电感电流纹波受电感大小影响，同时无论利用模拟电路还是模-数转换器（ADC）进行的电流过零点检测均会受采样精度和采样延时的影响，使得用于电流方向判定的过零点检测具有较大的模糊性，因此理论的电感电流过零点实际是一个具有一定宽度的区域，该过零区域宽度的检测和计算受到相应算法精度的约束。在此过零区域中，为了让逆变器正常工作，一般采用恢复同一桥臂上下两个开关器件的驱动信号并重新加入死区的策略[14-15]。死区在电感电流检测过零区域的注入，将导致逆变器输出在该区域产生明显的波形畸变。同时检测器件的特性和可靠性极大地影响了该类方法的有效性。为了解决上述问题，本文提出一种在线自适应的PWM死区消除方法，该方法通过在线跟踪负载变化，自适应地计算最优的电感电流过零区域宽度，以精确实现电感电流过零区域和非过零区域死区效应的分别消除，从而使逆变器输出在整个正弦调制周期内无论负载如何，均能有效消除死区，明显减小输出电压基波损失和低次谐波含量。同时，本文引入的自适应算法对电流采样器件的特性和精度要求大大降低，有效地提高了该死区消除方法的实用性和系统的可靠性。2死区效应分析图1是电压源型逆变器单桥臂的结构示意图，其中图1a和图1b分别表示电感电流不同方向时桥臂内功率器件的导通情况。当iL＞0时，SP开通，（a）iL＞0（b）iL＜0图1电压源型逆变器单桥臂结构示意图Fig.1Singlephase-legconfigurationofVSIs电流iL从SP流过；SP关断，iL通过VDN续流，无论SN开关状态如何，均无电流流过。同理，当iL＜0时，SN开通，电流iL从SN流过；SN关断，iL通过VDP续流，无论SP开关状态如何，均无电流流过。为了防止桥臂内功率器件SP和SN产生“直通”现象，传统的控制方式是在它们的驱动信号之间加入死区，因此产生死区效应。图2是电压源型逆变器输出电压的死区效应示意图，其中SP和SN表示单桥臂内上下两个开关管在理想情况下互补对称的驱动波形，PS和NS表示加入死区后的实际驱动波形，UAN和ANU表示单桥臂的理想输出电压和实际输出电压波形，Ud表示由于死区注入后导致的图2输出电压死区效应分析示意图Fig.2Dead-timeeffectsonoutputvoltage第26卷第11期杨波等在线自适应PWM死区消除方法47理想输出电压和实际输出电压之差，即死区效应产生的死区电压波形。由图2可见，在iL＞0区域，死区效应给逆变器输出电压注入了一个以开关频率为频率，死区时间为宽度，母线电压为幅值的负值周期性脉冲电压；同理，在iL＜0区域，死区效应注入的是相应的正值周期性脉冲电压；而在iL过零区域，由于正负相消，没有死区效应的产生。根据高频小纹波近似理论，在一个正弦调制周期T内的平均死区电压＜Ud＞的波形如图3所示，幅值大小为dmsddcUfTU（1）式中fs——开关频率；Td——死区时间；Udc——直流母线电压。显然，呈周期方波特性的死区电压将导致逆变器输出电压跌落和低次谐波注入。图3正弦调制周期内的平均死区电压波形Fig.3Averagedead-timevoltagewaveformsinperiodT3死区消除原则3.1电流非过零区域死区消除原则由图1分析可知，当iL＞0时，无论开关器件的驱动信号如何，电流只流过开关管SP或二极管VDN，而开关管SN和二极管VDP绝不会有电流通过，因此将SP和VDN称为在iL＞0阶段的有效器件，SN和VDP称为无效器件；同理，在iL＜0阶段，SN和VDP成为流通电流的有效器件，SP和VDN为无效器件。显然，在电流非过零区域，同一桥臂内导通电流的有效器件只可能是一个全控型的开关管和一个不控型的二极管，因此，只要屏蔽相应阶段无效开关管的驱动信号，则死区可以被完全消除，进而有效地减小了输出电压基波损失和低次谐波含量。3.2电流过零区域死区消除原则由前分析可知，一方面，在电流iL过零区域，由于电感电流纹波的存在，以及受采样精度和采样延时的影响，检测到的电感电流过零点将分布在一个具有一定宽度的区域内，该区域的宽度被称为过零检测宽度。在此检测宽度内，为了让逆变器能够正常工作，必须恢复同一桥臂上下两个开关器件的驱动信号，并重新加入死区。另一方面，由图2c分析可知，在电流iL过零区域，同时存在一个过零理论宽度，在此理论宽度内，即使死区时间存在，也由于正负相消，没有死区效应的产生。因此，如果过零检测宽度能够完全与过零理论宽度重合，则该区域内的死区效应也完全被消除。3.3过零误差宽度和过零宽度系数显然，由于电流检测精度和延时受检测手段的影响，过零检测宽度不可能正好等于过零理论宽度，定义两者之差为过零误差宽度。过零误差宽度的存在，会导致上述死区消除方法无法在整个正弦调制周期内完全消除死区效应。如果检测宽度大于理论宽度，则在过零误差宽度内重新引入死区电压，从而导致输出电压波形畸变和低次谐波的引入；如果检测宽度小于理论宽度，则在过零误差宽度内破坏了原有的电流流向，改变了正常的PWM调制方式，同样导致输出电压波形畸变和低次谐波的引入。图4所示是上述死区消除方法的示意图，为分析由过零误差宽度引入的谐波含量，定义过零检测宽度为Tft，过零理论宽度为Tth；并定义过零误差宽度Tderr和过零宽度系数KZ如下：derrftthTTT（2）Zftth/KTT（3）图4死区消除原则示意图Fig.4Principleofdead-timeelimination图5是由过零误差宽度Tderr引入的死区电压Uderr的频谱分析图。设Udc=400V，fs=20kHz，Td=2s，Tth=1.5ms，由式（1）得Udm=16V。显然，过零误48电工技术学报2011年11月差宽度Tderr的绝对值越小，过零检测宽度就越接近过零理论宽度，KZ也越接近1，引入的谐波电压也越小。（a）Tderr=2ms（KZ=2.3）（b）Tderr=0.8ms（KZ=1.5）图5死区电压Uderr的频谱分析图Fig.5Harmoniccontentsofdead-timevoltageUderr4在线自适应方法如上分析可知，采用上述的死区消除方法，只要能够精确确定电感电流的过零理论宽度Tth，使加入死区的检测过零宽度Tft尽量接近该理论宽度Tth，就基本能在整个正弦调制周期内完全消除死区效应，从而极大地减小基波电压损失和低次谐波含量，改善输出正弦波质量。但在逆变器应用中，负载阻抗的情况变化多样，不同的负载阻抗角会使电流过零点位置产生较大变化，一方面导致过零理论宽度Tth发生动态变化，另一方面给过零检测宽度Tft的测量带来更大的困难，因此，必须动态地跟踪负载变化，自适应地计算不同负载下的过零理论宽度，设计最为合理的过零检测宽度在线算法，并减小算法对于检测器件特性的依赖度，才能够实现最优的死区消除效果，使该死区消除方法具有工程实用意义。图6是逆变器中电压电流波形的关系示意图，其中图6b是图6a在电流iL过零区域的细节放大图。如图所示，iL是电感电流，uout是输出电压，uch1是逆变器桥臂侧输出电压uc的基波分量。设uout超前iL的阻抗角为1，uch1超前iL的阻抗角为2。显然，在电感电流iL过零处，一个开关周期内iL的变化量i如下所示：dcOm1(sin)1LUUtiUtLL（4）式中L——逆变器输出滤波电感；Udc——直流母线电压；UOm——输出电压幅值。（a）正弦调制周期内的关系示意图（b）电流iL过零区域的细节放大图图6逆变器中电压电流波形关系示意图Fig.6Relationshipbetweenthevoltageandcurrentwaveforms又根据正弦波PWM调制原理可知s2s2111(sin)(1sin)222tTMTM（5）式中Ts——开关周期；M——逆变器调制比。将式（5）代入式（4），可得sdcO