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死区补偿技术清华大学电机系 缪学进1 引言微处理和电力电子技术的迅速发展，极大地促进了PWM技术的发展和应用，各种PWM 交流传动技术在工农业生产、国防和日常生活中得到了广泛的应用。
我们知道，任何固态的电子开关器件都具有一定的固有开通和关断时间。
对于确定的开关器件，固有开通和关断时间内输出信号是不可控制的。
三相桥式逆变器系统中，同一桥臂上的两个开关器件工作于互补状态。
由于一般开关器件的开通时间小于关断时间，因此，如果将互补的控制信号加到同一桥臂上两个开关器件的控制极上，那么这两个开关器件将会发生“直通”，其后果非常严重。
所以目前的逆变器系统广泛采用时间延迟的控制技术即将理想的PWM控制信号上升沿或下降沿延迟一段时间，在这段时间内输出信号是不可控的，这就是死区时间[1]。
死区的存在使逆变器不能完全精确复现控制信号的波形，输出电压产生幅值和相位的误差。
由于死区的作用，每一个调制周期内引起的微小畸变经积累后，必然会使逆变器的输出电流波形产生畸变，它不但会降低基波幅值，而且会产生低次谐波，直接影响电动机在低速下的运行性能。
过去为了消除死区的影响，通常采用硬件和软件相结合的解决方案，但硬件补偿方法存在着检测精度差、滞后以及实现困难等问题。
微处理器在电机控制中的应用使死区补偿变得容易，尤其是TI公司的专为电机控制设计的2000系列处理器（如TMS320F240、TMS320LF2407、TMS320F2812等）在芯片内部集成了专门的硬件电路进行死区补偿，减少了电压误差，可以获得满意的效果。
2 死区效应分析三相电压型逆变器的基本构成如图 1 所示，与电流型逆变器相比，电压型逆变器可以提高逆变器的开关频率，有利于快速控制和抑制逆变器噪声，并且输出阻抗小，适合于交流电机调速控制。
为了防止逆变器区桥臂的上下功率开关发生直通，在上下功率开关改变状态时必须插入死区时间，即先将已开通的功率管关断，插入一定的死区延时，再开通另一个处于关断状态的功率管。
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。
SPWM 中电流反馈对死区影响的补偿
对于SPWM 来说，死区影响并非一种负面的状态，其能够有效的避免桥臂开关管在同时导通时发生的故障。
但这并非意味着死区时间对于SPWM 是完全有利的，死区时间有时会引起反馈二极管的续流，此时便会造成一些不必要的错误，本文就将为大家介绍SPWM 逆变器死区时的电流反馈型补偿。
当死区引起反馈二极管的续流时，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着。
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。
下面就来说一说电流反馈型补偿的方法。
图1
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。
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。
永磁同步电机逆变器死区补偿技术现今工业伺服驱动中多采用驱动永磁同步电动机(PMSM)的交流伺服系统，其交流驱动单元使用三相全桥电压型逆变器。
PWM调制的变频控制技术实现了对交流电机动态转矩的实时控制，大大提高了伺服系统的控制性能。
然而，对于PWM逆变器，在驱动功率管的开关信号中插入延时时间以防止直流母线直接短路，延时时间的引入将导致死区时间效应，引起逆变器输出波形的畸变和基波电压的降落，影响了伺服系统性能的进一步提高。
为补偿Td引起的电压波动，研究人员提出了各种补偿方法，大致可划分为三类。
最普遍的方法是在电流极性相同的区间内，根据缺少的脉冲列相应加上极性相反的脉冲列，以抵消其影响。
由于三相电流必有一相与另两相极性相反，一种简单的方法是对极性相反的相实行二倍的电压过补偿，使三相电压死区影响相互抵消，线电压波形为正弦形。
详细分析了死区产生的原因和影响，并根据模拟调制和数字调制分别给出了死区的硬件电路补偿方法。
文献[3]根据全桥电路的开关状态，提出了一种带死区补偿的逆变器数学模型，该模型的特点是由简单的滞环结构组成，根据此模型可由一计算公式实现死区补偿。
第二类方法是根据无效器件原理实现死区补偿的。
在任意时刻，逆变器每一桥臂两个功率器件中只有一个是有效的。
当上桥臂器件关断时，不论下桥臂器件是否导通，输出电压都是直流母线的负端电压，此时称下桥臂器件是“无效”的。
死区补偿的办法是，维持有效器件的驱动信号不变，改变无效器件的驱动信号使之满足设置死区的要求。
既然“无效”器件的通、断并不影响输出电压状态，那么也就不需要驱动信号了，只给有效器件发出驱动信号就可以了，这样也就不需要加入死区，也就没有什么死区补偿的问题了。
但该方法在电流过零点处会由于误差导致畸变，因此使用这个方法时要注意电流过零区域的处理。
一些学者进一步提出了改进方法。
在电流过零点加一滞环，在滞环时间内使用正常的开关死区保护，可减小畸变。
由于电流采样中的干扰和电流变化的复杂性，文献[5]在电流过零点附近的区域应给出两路驱动信号并加入死区及死区补偿。
一种三相SVPWM逆变器死区补偿方法空间矢量脉宽调制/电流极性/死区优化设置/死区效应1引言空间电压矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM）通过在调制周期内产生一个开关序列得到等于电压参考矢量的平均电压矢量，可以获得较高的直流电压利用率和较低的输出谐波[1]，因而得到广泛的工业应用。
但在桥式逆变电路中，为了避免同一桥臂上下开关器件的直通，必须插入死区时间。
死区时间的存在显然使逆变器不能完全精确的复现PWM控制信号的理想波形，也不能精确地实现控制目标[2]。
国内外学者对逆变器死区效应做了许多有益的研究，并提出了一系列改善措施[3-7]，文献[3-7]均采用了平均误差电压补偿法，文献[3]还对开关器件管压降和电路中寄生电容对死区效应的影响进行了研究，文献[4]在同步旋转d-q坐标系下，通过d、q轴参考电流和逆变器输出参考角频率来产生电压前馈补偿信号，文献[5]采用电机的数学模型预测定子电流对参考电压矢量进行调整，文献[6]根据电流基波和5、7次谐波表征的谐波畸变，引入两个满足收敛性可自调整的变量，实时调整以这两个变量为函数的电压补偿信号，文献[7]通过讨论输出电压矢量和三相电流方向的关系，将三相电流分成六个区域，在每个区域只对其中一相补偿。
但上述所采取的死区补偿方案都属于被动补偿，即死区效应已经发生后，根据理想输出和实际输出之间的偏差进行开环或闭环补偿。
本文在对三相SVPWM逆变器死区效应分析的基础上，采用优化的死区设置方法，主动避开死区效应，以达到补偿目的，并通过MATLAB仿真和实验验证了其有效性，证明该死区优化设置补偿法是正确的。
2三相SVPWM逆变器死区效应分析图1三相桥式PWM逆变器主电路原理图图2 传统死区设置时逆变器A相工作过程图1为感应电机PWM逆变器的原理图。
按照传统死区时间设置方法即上下管均采用“延时开通”来加入死区时间，以A相为例分析其死区效应，其它相工作过程和其类同。
第27卷 第11期2003年11月 信 息 技 术I NFORM ATI ON TECH NO LOGYVO L.27 NO.11Nov.2003逆变器中死区效应及其补偿策略分析张 涛1,张 强2,李良辰2(1.黑龙江省电力开发公司,哈尔滨150001; 2.亿阳集团有限公司,哈尔滨150090)摘 要:对死区时间对逆变器输出电压的影响进行了分析。
死区效应引起的电压偏差可以等效为一个与电流相为相反的方波。
并对死区效应的补偿策略进行了研究。
关键词:死区时间;逆变器;补偿中图分类号:T M464 文献标识码:B 文章编号:1009-2552(2003)11-0070-02Analysis of the dead-time effect of the inverterand its compensation methodsZHANG T ao1,ZHANG Qiang2,LI Liang2chen2(1.H eilongjiang Province Pow er Development Co.,H arbin150001,China;2.B right Oceans Corporation,H arbin150090,China)Abstract:The effects of the dead-time on the output v oltage waveforms of thePW M inverter are analyzed. The dead-time effect is evaluated by averaging the v oltage deviation over a half cycle of the inverter.The com pensation methods of the dead-time effect are studied.K ey w ords:dead-time;inverter;com pensation0 前言微处理和电力电子技术的迅速发展,极大地促进了PW M技术的发展和应用,各种PW M交流传动技术在工农业生产、国防和日常生活中得到了广泛的应用。
第六章变频系统死区效应分析及补偿6.1 死区效应原理在理想情况下，每个桥臂的上下两个开关器件严格轮流导通和关断。
但实际情况是，每个器件的通、断都需要一定的时间，尤其是关断时间比导通时间更长。
在关断过程中，如果截止的器件立即导通，必然引起桥臂短路。
为了防止这种情况发生，必须在驱动信号中引入一段死区时间T d。
在此时间内，桥臂上下开关器件都没有触发信号，该桥臂的工作状态将取决于两个续流二极管和该相电流的方向。
死区时间的引入使得逆变器主电路不能精确再现由PWM发生器所产生的理想PWM波形，影响了PWM方案的应用效果，这些影响统称为死区效应。
死区效应是影响逆变器电压和电流输出的重要非线性因素，会使得低速轻载时的电压及电流发生严重畸变，引起转矩脉动和谐波。
死区时间的设置方式有两种：（1）单边不对称设置欲关断的功率管与理想波形同时关断，欲开通的功率管延迟T d后开通。
（2）双边对称设置欲关断的功率管比理想波形提前T d/2关断，欲开通的功率管比理想波形延迟T d/2开通。
利用逆变器中一个桥臂来说明死区效应的产生，规定电流从逆变器流向电机为参考方向的正方向，电流从电机流向逆变器时电流为负。
当电机电流为正时，在死区时间内，上下桥臂两个功率管均不导通，由于电机为一感性负载，因此电流不会突变，那么电机电流就通过和下桥臂反并联的续流二极管续流，如果忽略续流二极管的管压降，则输出电压被钳位在-U d/2（U d位直流电源电压）；反之，当电机电流为负时，电机电流则通过和上桥臂反并联的续流二极管续流，如果忽略续流二极管的管压降，输出电压被钳位在+ U d/2。
这样，实际输出电压U与理想输出电压U*之间就存在着误差电压△U=U-U*。
这个误差电压脉冲的极性与输出电流的极性相反，当电流大于零时△U= -U d，当电流小于零时△U= U d，其宽度等于死区时间。
而且随着载波频率的提高，误差电压脉冲出现的次数也随之提高，虽然死区时间很短，单个误差电压脉冲不足以影响系统的性能，但持续考虑半个周期的情况便可得知，其累计效应足以使定子电压波形畸变。
