三相三线制SPWM逆变器死区效应分析_林钊

图 3 基波周期内逆变桥输出电压电流
φ —功率因数角；vo —理想 PWM 输出的基波分量；vd —死
区引起的电压变化；vdo —其基波分量
可见，vdo 的存在会对输出电压基波分量的幅值 和相位产生影响。
由图 3 不难看出，偏差电压 vd(t) 具体表现为脉宽
等于死区时间的脉冲组成的脉冲序列，并且和逆变桥
乎呈线性增大；图 10（a）表明，功率因数角越大，基波 幅值越小。
n(ωt
-
φ)
4 仿真与实验
为了验证以上计算公式的正确性，本研究进行了 相应的 Simulink 仿真，并在一台 3 kW 的三相三线制逆 变器上进行了实验。
其中，U 相桥臂上、下开关管的驱动波形和 DS 波 形分别如图 5~6 所示。
本研究将仿真与实验数据拟合成曲线，并与理论 曲线相比较，如图 7~10 所示。在这些曲线图中，实线 表示理论曲线，‘*’表示的是仿真数据的拟合曲线， ‘o’表示的是实验数据的拟合曲线。其中，Vo 和 Vo1 为 加入死区时间前后的输出线电压幅值，Vdc 为直流母 线电压。
0引 言
在三相半桥 SPWM 逆变电路中，为了防止同一桥 臂上、下开关管的导通，研究者通常在开关管导通前 加入一小段“死区时间”。死区时间的加入，使逆变电 源输出电压的幅值相位和谐波含量都产生了变化。
文 献［1］给 出 了 死 区 时 间 对 逆 变 器 产 生 的 谐 波 影响的数学模型，对低次谐波的变化规律进行了理 论分析和仿真。文献［2］通过建立数学模型，对输出 电 压 基 波 进 行 了 定 量 的 分 析 和 实 验 ，但 是 对 于 谐 波 的影响并没有给出相应的理论曲线和实验曲线。文
一个基波周期死区效应的示意图如图 3 所示。
图 1 单相桥臂
逆变器中一个桥臂上、下开关管的理想门驱动信 号和带死区的门极驱动信号如图 2 所示。
图 2 SPWM 逆变器开关管的驱动信号波形及电压变化 td —每个开关周期的死区长度
死区对输出电压的影响与桥臂的输出电流方向 有关［9］，如图 2 所示。在图 2（c）中，io > 0 。死区的存 在使上管开通延迟了 td 。在时间 td 内，由于上管无开 通信号，而 io > 0 ，下管的反并二极管 D2 续流，输出电 压为 -Vdc 。相对于理想的 PWM 波形，逆变桥输出电 压的伏秒值变化了 -2V ·dc td ；在图 2（d）中，io < 0 。死 区的存在使下管开通延迟了 td 。在时间 td 内，由于下 管无开通信号，而 io < 0 ，所以上管的反并二极管 D1续 流，输出电压为 Vdc 。相对于理想的 PWM 波形，逆变 桥输出电压的伏秒值变化了 2V ·dc td 。由此可见，在死
=
8f c t dV dc
π m V'
a dc
·
2k + 1
∑ 1 = 2
n n = 3,5,7
（10）
∑ ∑ mm'aa· 8πfmctda·
2k + 1
1 = 2 n n = 3,5,7
K
·
1 + K2 - 2K cos φ
1 2k + 1 n2
n = 3,5,7
考虑到三相三线制逆变器的输出线电压中没有 3 次及其倍数谐波，所以上式的总谐波失真度应该修正 为：
3 死区时间对输出电压谐波含量的 影响
本研究接下来对死区效应带来的谐波影响进行
分析，假设 LC 滤波器已将开关频率及其以上的谐波
分量给予滤除，此时的输出相电压为：
vout(t)
=
maVdc
sin
ωt
-
8f c t dV dc π
[sin(ωt
-
φ)
+
1 3
sin
3(ωt
-
φ)
+
1 5
sin
5(ωt
-
献［3］对死区给逆变器并联带来的环流进行了建模， 并给出了仿真和实验波形。对于输出电压基波和谐 波 含 量 的 理 论 建 模 和 实 验 尚 不 够 完 善 。 同 时 ，针 对 死区所带来的死区效应，其它国内外学者同样也进 行了大量的研究［4-8］。
本研究以三相三线制 SPWM 逆变器为研究背景， 对死区效应即死区时间对输出电压基波幅值和谐波 含量的影响进行建模，在不同的死区时间、功率因数、 开关频率和幅值调制比等条件下对死区效应进行仿 真与实验。
φ)
+
⋯]
=
(maVdc
-
8fct Vd dc π
cos
φ)sin
ωt
+
（7）
∑ 8f
ctdV π
dc
sin
φ·
cos
ωt
-
8f c t dV dc nπ
sin
n = 3,5,7
n(ωt
-
φ)
=
∑ m V' a dc
sin(ωt
+
φ1)
-
8fct Vd dc nπ
2k + 1
sin
n = 3,5,7
如果桥臂上、下开关管死区时间相等，则方波的
傅里叶展开式为：
∑ vd(t) =
4Ud nπ
sin
n = 1,3,5...
nα
=
（2）
π4·
f·c
t·d
2V ·dc (sin
α
+
13 sin
3α
+
1 5
sin
5α
+
⋯)
其中：α = ωt - φ 。 由式（2）可以看出，偏差电压中含有 3 次、5 次等低 次谐波。
图 5 U 相桥臂上、下开关管驱动波形
第9期
林 钊，等：三相三线制 SPWM 逆变器死区效应分析
· 1093 ·
图 6 U 相桥臂上、下开关管 DS 波形
从图 7（a）、9（a）可以看出随着死区时间和开关频 率的增加，输出电压基波幅值几乎呈线性减小；图 8 （a）表明，随着调制系数的增加，输出电压基波幅值几
2 死区时间对输出电压基波的影响
在三相半桥逆变器系统中，输出相电压的基波幅
值表达式为：
vo(t) = maVdc sin ωt 式中：ma —幅值调制系数。
（3）
· 1092 ·
机电工程
第 29 卷
考虑死区效应后的输出相电压基波有效值为
V' o
，
其与输出电流 io 的夹角为 φ' ，其有效值向量图如图 4
LIN Zhao，MA Hao，YIN Yi-di，WANG Xiao-rui
（Department of Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）
Abstract：Aiming at the dead-time effect caused by the dead time，such as the influence on fundamental wave of the output voltage and low harmonic content，a mathematical model was established. The relationship was analyzed between the dead-time effect and dead time， modulation coefficient，switching frequency and power factor angle on different conditions detailedly. The simulation was carried out in Matlab，and the experiment was proceeded in a 3 kW three-phase three-wire inverter. The theoretical analysis shows that dead time can reduce the output voltage fundamental amplitude and increase the low harmonic content. Theoretical curves coincide with fitting curves of simulation，experimental data basically，which verifies the correctness of the mathematical model and it has certain reference significance for the design of SPWM inverter. Key words：three-phase three-wire；SPWM inverter；dead-time effect
论曲线和仿真、实验数据拟合曲线基本吻合，验证了数学模型的正确性。该分析对 SPWM 逆变器的设计具有一定的参考意义。
关键词：三相三线制；SPWM 逆变器；死区效应
中图分类号：TM464 文献标志码：A
文章编号：1001-4551（2012）09-1090-05
Analysis of dead-time effect for three-phase three-wire SPWM inverter
基波为：
V '2 o
=
V2 o
+
V2 do
-
2V Vo do
cos
φ
上式等号两边同时除以
V
2 o
，得到:
（4）
V' o
Vo
=
1
+