逆变桥无死区控制技术研究2
无传感器下中频逆变电源死区补偿与控制策略
第27卷㊀第10期2023年10月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.10Oct.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀无传感器下中频逆变电源死区补偿与控制策略贺玫璐1,㊀薛鹏飞2,㊀刘平3,㊀刘永杰3,㊀苗轶如3(1.太原科技大学电子信息工程学院,山西太原030024;2.国网山西省电力公司太原供电公司,山西太原030012;3.湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082)摘㊀要:在飞机停靠阶段采用400Hz 地面电源代替飞机辅助动力源是降低机场碳排放量的重要手段㊂然而,受限于开关频率与电压高动态响应速度的要求,400Hz 逆变电源通常采用输出电压单闭环控制策略,减少了LC 滤波器中电感电流的采样与控制环节,导致控制系统设计难度加大,同时因无法获得电流极性而缺少了死区补偿方向㊂为了提高400Hz 逆变电源负载电压的控制性能与电能质量,首先针对400Hz 逆变电源中因死区对逆变器输出电压基波幅值㊁相位误差以及低次谐波畸变的影响机理进行分析,进而提出一种基于电流观测的死区补偿策略㊂根据电感电流的状态方程,提出构建无零漂的电流观测模型,得到电感电流的极性,对调制电压信号进行补偿,实现对死区效应的抑制㊂然后建立系统的传递函数,结合幅频特性曲线,从抗扰动性㊁高频衰减特性以及动态响应速度几个方面总结出比例-谐振控制器的参数优化设计方法㊂最后搭建仿真模型与实验平台,对所提电流观测模型㊁死区补偿方法以及控制器参数优化设计方法的可行性与有效性进行验证㊂关键词:航空地面电源;逆变器;电流观测;死区补偿;比例谐振控制器;谐波畸变DOI :10.15938/j.emc.2023.10.017中图分类号:TM301.2文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)10-0171-10㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-07-03基金项目:汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室开放项目(2021KLMT02)作者简介:贺玫璐(1988 ),女,硕士,讲师,研究方向为电力电子与电力传动㊁电力变换控制技术;薛鹏飞(1988 ),男,硕士,工程师,研究方向为新能源利用与分布式发电技术㊁电力变换控制技术;刘㊀平(1983 ),男,博士,副教授,博士生导师,研究方向为电动汽车驱动与控制技术;刘永杰(1999 ),男,硕士研究生,研究方向为电力电子变换器拓扑与控制技术;苗轶如(1988 ),男,博士,助理研究员,研究方向为电机与电力电子变换器的控制技术㊂通信作者:刘永杰Deadtime compensation and control strategy for middle frequencyinverter power supply without current sensorHE Meilu 1,㊀XUE Pengfei 2,㊀LIU Ping 3,㊀LIU Yongjie 3,㊀MIAO Yiru 3(1.School of Electronic Information Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China;2.Taiyuan Power Supply Company,State Grid Taiyuan Electric Power Co.,Ltd.,Taiyuan 030012,China;3.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)Abstract :Instead of the auxiliary power system,a 400Hz ground power unit is applied to airplanes dur-ing stopovers in airports,which is an important means of reducing carbon emissions of airport.However,under the restraint of switching frequency and high dynamic response speed,a single control loop is usu-ally implemented in 400Hz voltage-source inverter,and the sampling and control of the inductor current in the LC filter are avoided,which will make the design of the control system more difficult,and the di-rection of the dead-time compensation can not be obtained due to the lack of the current polarity.In viewof the above problems,this paper analyzes the influence on the output voltage of inverter due to the dead-time,including the errors of fundamental amplitude and phase,and the low-order harmonic distortion, and a dead-time compensation strategy based on current observation is proposed.According to the state equation of the inductor current,a current observation model without zero drift was proposed to obtain the polarity of the inductor current and the modulation voltage signal was compensated to suppress the dead-time effect.Then,combined with the amplitude-frequency characteristic curve,the parameter optimiza-tion design method of the single closed-loop proportional-resonant controller was studied.Finally,a simu-lation model and an experimental platform were established to verify the feasibility and effectiveness of the current observation model,dead-time compensation method and controller parameter optimization design method proposed in this paper.Keywords:ground power unit;inverter;current observation;dead-time compensation;proportional reso-nance controller;harmonic distortion0㊀引㊀言当飞机在机场停靠时,用航空地面电源替代飞机辅助动力电源为飞机负载提供电能,可有效降低燃油消耗,减少碳排放量,还可以实现风能㊁太阳能等可再生能源的本地消纳与实时利用[1-2]㊂机场地面电源通常为有效值115V㊁频率400Hz 带LC滤波器的三相四线制交流电源[3],LC无源滤波器用于滤除逆变器开关过程产生的高次谐波㊂中线能够为零序电流提供回路,当为三相不平衡负载供电时,可实现三相对称电压输出,从而增强电源的带不平衡负载能力㊂目前已有多种面向400Hz中频交流电源的逆变器拓扑结构被相继提出,包括Δ/Y变压器拓扑[4]㊁带高频变压器的三相H桥拓扑[5]㊁分裂电容式三相逆变器拓扑[6]㊁三相四桥臂逆变器拓扑[7]㊁三电平中点钳位拓扑[8]以及矩阵式拓扑结构等[9]㊂其中,分裂电容式三相逆变器拓扑结构简单,可以等效成3个独立的单相半桥逆变器,简化控制系统与调制策略设计,在母线电压不发生严重跌落的情况下可以满足电压变换需求㊂由于机场地面电源的基频为400Hz,而开关频率最大不超过15kHz,加之数字控制延时的影响,导致电压外环-电流内环的双闭环控制系统难以满足动态响应的需求,因此减少了电流的采样与控制环节,仅采用输出电压的单闭环控制策略[10]㊂因此,针对400Hz交流电源的多种单闭环控制策略被相继提出,包括状态反馈重复混合控制等单闭环输出电压控制[11]和多频率比例谐振级联控制等方法[9],但是以上几种控制系统结构相对复杂,且运算量过大,单个控制周期内可能无法完成所有代码的执行㊂文献[12-13]提出将LC型滤波器改造为LCC型滤波器,该方案可消除基频负载电流对输出电压的影响,输出电压与逆变器输入电压基波保持同相位跟随,降低了单闭环控制系统的设计难度,但增加了无源器件的体积与重量㊂为防止上下桥臂同时开通而引起的短路故障,需要对每个器件的开通信号进行延时,存在一段上下桥臂开关管均保持关断的状态,也就形成了 死区 ㊂死区会减小基波的幅值,同时产生三㊁五㊁七次等低次谐波,降低交流电源的电能质量[14]㊂针对死区所产生的非线性误差问题,国内外学者已提出多种抑制方法,包括基于脉冲补偿[15]㊁基于平均误差补偿[16]以及死区消除策略[17]等,但是以上方法均需要以电感电流的极性为依据,从而做出正确处理方法㊂而在航空地面电源中,由于取消了LC滤波器中电感电流的采样与控制,增加了死区补偿的难度㊂针对400Hz中频交流电源的死区补偿与单闭环控制问题,本文以逆变器负载电压对给定正弦电压的跟踪效果与电能质量为优化目标㊂在无电流传感器的前提下,通过构建高精度电流观测器模型作为寻优策略,为死区补偿提供精确的电流极性㊂为了取得更好的跟踪效果,以单闭环比例-谐振控制器的参数优化方法作为寻优策略,以比例-谐振控制器中的比例系数与谐振系数作为优化变量,建立系统的传递函数,并结合幅频特性曲线得到比例-谐振控制器的参数优化设计方法,最后通过仿真与实验依次对电流观测模型㊁死区补偿方法以及控制系统在不平衡负载下的稳态与动态性能进行验证㊂1㊀LC逆变器的死区效应分析本文的研究对象为面向机场地面电源的三相四271电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀线制逆变器,其拓扑结构如图1所示㊂其中:u dc 表示直流母线电压;C 1与C 2表示直流分裂电容;S 1~S 6构成三相电压源型逆变桥;L a ㊁L b ㊁L c 与C a ㊁C b ㊁C c构成三相LC 滤波器;Z a ㊁Z b ㊁Z c 为三相负载,彼此保持独立㊂负载中线与分裂电容中点连接,为零序电流提供续流回路㊂图1㊀三相四线制逆变器拓扑结构Fig.1㊀Topology structure of three-phase and four-wireinverter1.1㊀死区对逆变器输出电压的影响分析由于开关器件的关断延时大于开通延时,为了防止上下桥臂开关管同时开通而发生短路故障,需要对开关管驱动信号加入开通延时,从而出现了上下桥臂同时处于关断的状态,也就是死区阶段㊂以a 相为例进行说明,图2为死区阶段a 相示意图㊂开关管S 1与S 4同时处于关断状态,当i a >0时,S 4的反并联体二极管完成续流,此时逆变器a 相输出电压u an =-u dc /2,而当i a <0时,S 1的反并联体二极管完成续流,此时逆变器a 相输出电压u an =u dc /2㊂为了简化数学模型,由ABC 轴系经过CLARK 变换后,得到两相静止坐标系下三相交流异步电机的电机数学模型㊂图2㊀死区阶段的示意图Fig.2㊀Equivalent circuit of phase a current commuta-ting during dead-time图3为一个开关周期内因死区产生的电压误差示意图,其中p ∗1㊁p ∗4表示未加入死区情况下开关管S 1与S 4的理想开关信号,p 1㊁p 4表示加入死区后开关管S 1与S 4的实际开关信号㊂在一个开关周期T s 内,因死区时间t d 引起的电压平均误差Δu an 可以表示为Δu an=t d T s u dc ,i a <0;-t dTsu dc ,i a >0㊂ìîíïïïï(1)图3㊀死区引起电压误差示意图Fig.3㊀Voltage error caused by dead-time一个基波周期内,Δu an 的等效电压波形如图4(a)所示,死区产生电压误差的方向与i a 的极性有关,并在逆变器输出电压中产生低次谐波㊂在开关频率为10kHz㊁u dc =400V㊁调制比为0.5的条件下,对Δu an 进行快速傅里叶变换(fast Fourier trans-formation,FFT)分析,结果如图4(b)所示㊂表1给出不同死区时间作用下,u an 的基波幅值㊁相位以及3次与5次谐波含量㊂可以看出,随着死区时间的增加,u an 的基波幅值减小,相位偏差逐渐增加,总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)㊁3次谐波㊁5次谐波的含量不断增加㊂表1㊀不同死区时间下逆变器输出电压的谐波特性Table 1㊀Harmonic characteristics of u an under differentdead-time死区时间/μs THD /%基波幅值/V 基波相位/(ʎ)3次谐波/%5次谐波/%0143.2161.90.00.050.020.5144.6160.90.90.470.261146.1159.9 1.60.970.511.5147.3158.9 2.4 1.470.782148.6157.93.21.981.04371第10期贺玫璐等:无传感器下中频逆变电源死区补偿与控制策略图4㊀死区引起电压误差波形与FFT结果Fig.4㊀Waveform and FFT results of voltage error caused by dead-time1.2㊀死区对负载电压的影响分析由1.1节分析可知,死区效应会引起逆变器输出电压发生低次谐波畸变,本节则从低次谐波相位与幅值两个方面分析死区对负载电压产生的影响㊂由图4可知,死区引起的逆变器输出电压误差Δu an 的基波相位与i a保持一致,当a相接入不同阻抗的阻性或阻感性负载时,i a的相位也会发生变化,因此不同负载特性下Δu an的基波相位不同,最终导致负载电压的相位发生偏移㊂因此,当接入三相不平衡负载时,死区会导致三相负载电压存在一定的不对称度㊂400Hz交流电源的LC滤波器需要兼顾滤波性能与动态响应速度,谐振频率一般设置在1.6kHz附近[10],因此LC滤波器对死区产生的3次与5次谐波并不具备明显的抑制作用㊂为了对以上分析进行验证,本文取L=1mH㊁C=10μF,当Z a分别为10Ω阻性负载与5mH电感㊁5Ω串联构成的阻感性负载两种情况下,比较2μs死区对负载电压u a的影响,如表2所示㊂可以看出,两种不同负载的接入下,负载电压的基波相位存在2ʎ的偏差㊂同时LC滤波器对死区产生的3次谐波具有放大作用,对5次谐波的衰减效果也并不显著㊂表2㊀不同负载下死区对负载电压的影响Table2㊀Influence of u a caused by dead-time underdifferent loads负载类型THD/%3次谐波/%5次谐波/%相位偏差/(ʎ) 10Ω 3.38 1.510.53-0.2 1mH+5Ω 5.12 2.40.79 2.02㊀电感电流观测模型对电感电流进行精确检测是实现死区补偿策略的基本前提,但是400Hz交流电源通常采用单闭环控制策略,仅对输出电压进行采样与控制,并不额外增加电流传感器,针对这一问题,本节对电感电流观测模型展开研究㊂电感电流i a的状态方程为Ld i ad t=u an-u a㊂(2)其中负载电压u a通过采样直接得到,而逆变器输出电压可通过电压控制器输出的给定电压u∗an得到,可以表示为u∗an=mu dc2㊂(3)式中m为逆变器调制信号的占空比,需要注意的是,给定电压u∗an与逆变器实际输出电压u an并不相同,还需要考虑死区引起的电压误差Δu an㊂u an可以表示为u an=u∗an-Δu an㊂(4)根据式(2)~式(4),构建i a的观测器数学模型,如图5所示㊂由于逆变器输出电压为高频开关波形,无法通过采样得到,只能通过给定电压u∗an作为输入得到电感电流观测值i^a㊂但是u∗an并不能直接替代u an,需要考虑Δu an,由第1节的分析得知,Δu an主要由3次与5次谐波构成,但是对频率较高的正弦输入信号进行积分运算,产生的正弦输出信号幅值会大幅度衰减,Δu an中3次与5次谐波对电流观测器的扰动作用可以忽略㊂但是Δu an还存在较低的直流误差,该误差可能导致积分的零点漂移,因此采用文献[18]的方法,在积分运算之前引入高通滤波器,用于消除积分零漂㊂本文采用的电流观测算法如图5(b)所示㊂高通滤波器截止频率ωn设置为200rad/s,即截止频率为30Hz附近,既能够滤除直流信号,也不会对400Hz信号产生幅值和相位的影响㊂471电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图5㊀电感电流观测器模型Fig.5㊀Observer of i a3㊀考虑死区补偿的控制器优化设计采用比例-谐振(proportional resonance,PR)控制器G PR (s )实现负载电压u a 对正弦给定信号u ∗a 的跟踪,其表达式为G PR (s )=k p +2k c ζω0ss 2+2ζω0s +ω20㊂(5)式中:k p ㊁k c 分别为比例系数与谐振系数;设置谐振频率ω0=800πHz,阻尼比ζ=0.5,将调制与数字控制延时等效为一阶惯性环节,整个控制系统的结构如图6所示㊂图中u ^an 视为调制过程的电压扰动量,包括因死区产生的三次㊁五次等低次谐波以及开关频率及其倍数频率附近分布的高次边带谐波,i ao 表示负载电流,T s 表示开关周期,为100μs㊂图6㊀控制系统结构Fig.6㊀Structure of control system图6所示的系统可以等效为u a (s )=u ∗a (s )G close (s )+i o (s )G i2u (s )㊂(6)式中:G close (s )为系统的闭环传递函数;G i2u (s )为负载电流到负载电压的传递函数,根据图6,控制系统的开环传递函数G open (s )表达式为G open (s )=k p s 2+2ζω0(k p +k c )s +k p ω20(LCs 2+1)(s 2+2ζω0s +ω20)(1+1.5T s s )㊂(7)G close (s )与G i2u (s )可通过G open (s )表示,表达式为:G close (s )=G open (s )1+G open (s );G i2u (s )=Ls[1+G open (s )](LCs 2+1)㊂üþýïïïï(8)由于传递函数的阶数过高,难以直接通过自动控制理论对PR 控制器中的系数进行直接计算,因此本文借助MATLAB 软件绘制不同k p ㊁k c 取值下G close (s )与G i2u (s )的幅频特性曲线,对k p ㊁k c 进行最优取值设计㊂首先令k p =1,k c 从0开始逐渐增加至30,G close (s )与G i2u (s )的幅频特性曲线如图7所示㊂当k c 取值较小时,在基频400Hz 处G i2u (s )的幅值增益在0dB 线以上,同时G close (s )的幅值增益低于0dB 线,此时u a 不能跟随u ∗a ,同时控制系统无法抑制i ao 对u a 的扰动㊂当k c >5时,随着k c 的增加,G close (s )在低频的幅值增益逐渐逼近0dB 线,截止频率影响较小,G i2u (s )在400Hz 处的幅值增益明显减小㊂图7㊀k p =1,不同k c 取值下的幅频特性曲线Fig.7㊀Bode diagrams with different k c and k p =1然后令k c =5,k p 从0开始逐渐增加至30,G close (s )与G i2u (s )的幅频特性曲线如图8所示㊂随着k p 增加,电压的跟随性能与对负载电流的抑制效果均愈发显著,同时G close (s )的截止频率随着k p 增571第10期贺玫璐等:无传感器下中频逆变电源死区补偿与控制策略加而增大㊂图8㊀k c =5,不同k p 取值下的幅频特性曲线Fig.8㊀Bode diagrams with different k p and k c =5根据k p ㊁k c 对G close (s )与G i2u (s )的影响规律,利用MATLAB 的Sisotool 工具箱配置k p ㊁k c ,得到k p =5㊁k c =25,此时G close (s )与G i2u (s )的幅频特性曲线如图9所示㊂在400Hz 处,G close (s )的相角为0,增益十分接近1,可实现u a 对u ∗a 的等比例同相位跟踪,截止频率接近2kHz,已达到10kHz 开关频率条件下的最快动态响应㊂同时,对400Hz 基波负载电流具有显著的抑制作用㊂图6中,为了抑制死区效应产生的低频非线性误差,在闭环控制系统中还加入死区补偿环节,在一个开关周期内,死区引起的平均电压误差可以表示为Δu an=-sign(i a )u dc td 2T s㊂(9)式中sign(i a )表示i a 的极性,当i a >0时,输出为1,反之输出为-1㊂将式(8)中i a 用电流观测器的输出i ^a 替换,根据i ^a 对逆变器输出电压的指令值u ∗an进行前馈补偿,以抵消因死区加入而产生的输出电压误差㊂b㊁c 两相也采用与图6相同的控制策略㊂图9㊀k p =5㊁k c =25下的幅频特性曲线Fig.9㊀Bode diagrams with k p =5and k c =254㊀仿真结果与分析在MATLAB 的Simulink 平台搭建如图1所示的拓扑结构模型㊁图5所示的电流观测器模型以及图6所示的三相负载电压控制模型,对本文提出的基于电流观测的400Hz 逆变电源的死区补偿与控制策略进行仿真验证㊂首先对电流观测效果与高通滤波器截止频率进行验证,如图10所示㊂在图10(a)中,因未加入高通滤波器,由于零漂的存在,在积分器的作用下,观测电流将会向下偏移㊂在图10(b)中,加入截止频率为10Hz 的高通滤波器后,观测电流与实际电流存在幅值上的误差,且观测器的动态调整过程较长㊂图10(c)给出了引入截止频率30Hz 高通滤波器后电流观测效果,可以看出,观测电流与实际电流基本一致,图10(d)为引入截止频率100Hz 高通滤波器后电流观测效果,观测电流与实际电流存在相位偏差㊂以上仿真结果证明在观测器模型中引入30Hz 高通滤波器可以精确重构电感电流㊂电感电流的精确采样为本文提出的平均电压补偿提供了正确的方向㊂在死区时间2μs 条件下,对设计的PR 控制器与死区补偿效果进行验证,当10Ω阻性负载接入下,输出电压的稳态波形与FFT 分析结果如图11所示㊂负载电压幅值162.6V,671电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀THD 仅为1.82%㊂图10㊀电流观测模型的仿真波形Fig.10㊀Simulation waveform of observer for current为了进一步证明本文所提出基于电流观测的死区补偿方法的有效性,将图11(b)的FFT 分析结果与图12所示的无死区和死区时间2μs 却未进行补偿这两种情况下负载电压的低次谐波进行比较㊂与图12(a)相比,基波电压幅值均为162.8V,相位均没有变化,说明PR 控制器可以抑制死区对基波幅值与相位产生的影响㊂但是未进行死区补偿情况下的负载电压幅值为162.1V,并存在2ʎ的相位偏差㊂同时存在4.5%的3次谐波,而在图11(b)中,经过补偿后的3次谐波含量仅为1.08%,说明本文提出的基于电流观测的死区补偿方法能够有效降低因死区产生的低次谐波㊂图11㊀PR 控制下稳态负载电压的仿真波形与FFT Fig.11㊀Simulation waveform and FFT result of ua图12㊀无死区与未采用补偿情况下的FFT 分析Fig.12㊀FFT analysis under no dead-time and dead-timeof 2μs771第10期贺玫璐等:无传感器下中频逆变电源死区补偿与控制策略图13给出了负载从10Ω突然切换至1mH +5Ω阻感负载情况下u a 的仿真波形与FFT 分析结果,u a 经过约1个周期的调整重新恢复至稳态,且负载切换后依然保持较低的谐波畸变,证明了本文所设计PR 控制器具有良好的动态特性㊂图13㊀负载突变下负载电压的仿真波形与FFT Fig.13㊀Dynamic simulation waveform of u a5㊀实验结果与分析为了进一步对本文所提方法进行验证,搭建了一台3kW 的实验平台,如图14所示㊂采用瑞途优特信息公司研制的RTU-BOX 作为数字信号处理器,可自动将MATLAB 仿真模型转换为程序代码㊂逆变部分采用该公司验证的600V-30A 三相全桥驱动器㊂在死区时间为2μs,对接入不平衡负载情况下的控制效果进行验证㊂图15为稳态实验波形,尽管负载电流幅值与相位均不保持对称,但是三相负载电压保持对称输出㊂图16给出当一相负载功率突然增加时的实验波形,经过2ms 的调整时间,三相负载电压重新达到平衡,有效值为115V,实验结果证明了本文针对PR 控制器进行的参数优化设计是有效可行的㊂图14㊀实验平台Fig.14㊀Experimentalplatform图15㊀不平衡负载下的稳态实验波形Fig.15㊀Steady-state experimental waveforms under unbalancedloads图16㊀负载突变下的动态实验波形Fig.16㊀Dynamic-state experimental waveforms underload suddenly changing为了验证本文针对PR 控制器参数优化设计方法的正确性,令逆变器a 相与b 相输出相同幅值与频率正弦电压㊂但是a 相采用的PR 控制器参数为:k p =2㊁k c =5,b 相则采用第3节得到控制器参数k p =5㊁k c =25㊂两者的对比实验结果如图17所示㊂可以看出,a 相负载电压存在严重的畸变,而采用本文设计得到的PR 控制器参数能输出高质量的电压㊂图18给出了负载突变下,本文所采用PR 控制器的负载电压u b 的实验波形与电压外环-电流内环的双闭环控制策略下的负载电压u a 的实验波形㊂871电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀可以看出,双闭环控制系统需要3个基波周期才能重新恢复至稳定,且中间存在振荡,而本文所采用单闭环PR 控制器则具有良好的动态性能㊂图17㊀不同PR 控制器参数下的负载电压实验波形Fig.17㊀Experimental waveforms under different valuesof k p and kc图18㊀负载突变下不同控制方法的负载电压动态实验波形Fig.18㊀Experimental waveforms under different controlmethods对不同死区时间下,未进行死区补偿与采用本文所提基于电流观测模型的平均电压前馈补偿两种情况下的负载电压THD㊁3次谐波与5次谐波进行比较,比较结果如图19所示㊂可以明显看出,未进行补偿情况下负载电压的THD㊁3次谐波与5次谐波含量随着死区时间的增加而增大,采用本文所提的基于电流观测的平均电压补偿策略能够有效抑制低次谐波畸变㊂图19㊀补偿前后的THD ㊁3次谐波与5次谐波Fig.19㊀THD ,3rd and 5th harmonic of u a before and af-ter compensation with different dead-time6㊀结㊀论本文针对400Hz 基于LC 滤波器的三相四线制航空逆变电源的死区补偿与单闭环比例谐振控制策略展开研究,并通过仿真与实验验证,在不同死区时间与三相不平衡负载条件下得到了良好的补偿与控制效果,并得到以下结论:1)在开环情况下,死区会引起负载电压基波的幅值与相位误差,并导致3次㊁5次谐波畸变,在不平衡负载条件下,还会增加三相负载电压的不平衡度;2)负载电压的跟随特性以及控制系统对负载电流的抑制效果与PR 控制器比例系数和谐振系数成正相关,通过对PR 控制器的参数优化设计,可以校正死区引起幅值和相位偏差,并具有良好的动态性能,但是不能抑制死区引起的3次谐波畸变;3)本文所提出基于高通滤波器的电感电流观测模型,能够精确重构电感电流,为死区补偿模型提供正确的电流极性㊂在死区时间分别为0.5㊁1㊁971第10期贺玫璐等:无传感器下中频逆变电源死区补偿与控制策略1.5㊁2μs情况下,本文所提无电流传感器的死区补偿方法能将负载电压的3次谐波依次降低1.6%㊁2.4%㊁2.8%,5次谐波依次降低0.3%㊁0.4%㊁0.7%㊂参考文献:[1]㊀重庆市人民政府办公厅,四川省人民政府办公厅.关于印发成渝地区双城经济圈碳达峰碳中和联合行动方案的通知[R].2022.[2]㊀周星宏.航空中频地面电源控制策略的研究[D].成都:西华大学,2021.[3]㊀JENSEN U B,BLAABJERG F,PEDERSEN J K.A new controlmethod for400-Hz ground power units for airplanes[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2000,36(1):180. [4]㊀NINAD N A,LOPES L A C.Control ofΔ-Y transformer basedgrid forming inverter for unbalanced stand-alone hybrid systems[C]//2012IEEE Electrical Power and Energy Conference,Octo-ber10-12,2012,London,Canada.2012:176-181. [5]㊀CHEN Li,JI Shiming,TAN Dapeng.Multiple-loop digital controlmethod for a400-Hz inverter system based on phase feedback[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(1):408.[6]㊀MANANDHAR U,ZHANG Xinan,GOOI H B,et al.Active DC-link balancing and voltage regulation using a three-level converter for split-link four-wire system[J].IET Power Electronics,2020, 13(12):2424.[7]㊀KIM J H,SUL S K.A carrier-based PWM method for three-phasefour-leg voltage source converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(1):66.[8]㊀ROJAS F,CARDENAS R,CLARE J,et al.A design methodolo-gy of multi resonant controllers for high performance400Hz ground power units[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019,66(8):6549.[9]㊀ROHOUMA W,ZANCHETTA P,WHEELER P W,et al.A four-leg matrix converter ground power unit with repetitive voltage con-trol[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(4):2032.[10]㊀李子欣,王平,李耀华,等.采用数字控制的400Hz大功率逆变电源[J].中国电机工程学报,2009,29(6):36.LI Zixin,WANG Ping,LI Yaohua,et al.400Hz high-power volt-age-source inverter with digital control[J].Proceedings of theCSEE,2009,29(6):36.[11]㊀张凯,彭力,熊健,等.基于状态反馈与重复控制的逆变器控制技术[J].中国电机工程学报,2006,26(10):56.ZHANG Kai,PENG Li,XIONG Jian,et al.State-feedback-withintegral control plus repetitive control for PWM inverters[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(10):56.[12]㊀江渝,黄敏,姜琦,等.电感双电容自调节逆变系统输出电压质量的控制[J].中国电机工程学报,2015,35(2):426.JIANG Yu,HUANG Min,JIANG Qi,et al.The control of the out-put voltage quality for the self-adjustable inductor-capacitor-ca-pacitor inverter[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(2):426.[13]㊀袁龙,郭强.三相LCC并网逆变器的参数设计方法与控制策略[J].电力电子技术,2018,52(8):101.YUAN Long,GUO Qiang.Parameters designed method and con-trol strategy of three phase LCC grid-connected inverter[J].Pow-er Electronics,2018,52(8):101.[14]㊀罗登,林宏健,舒泽亮.单相二极管箝位三电平逆变器死区时间补偿技术[J].电力自动化设备,2018,38(8):147.LUO Deng,LIN Hongjian,SHU Zeliang.Dead time compensationtechnology of single-phase diode-clamped three-level inverter[J].Electric Power Automation Equipment,2018,38(8):147.[15]㊀邱长青,汪丁泉,华斌,等.五电平有源钳位型变换器SVPWM死区效应分析与补偿方法研究[J].电机与控制学报,2023,27(5):117.QIU Changqing,WANG Dingquan,HUA Bin,et al.Analysisand compensation method of dead-zone effect in SVPWM at five-level active neutral-point-clamped converter[J].Electric Ma-chines and Control,2023,27(5):117.[16]㊀汤梦阳,苗轶如,雍涛.DPWMMIN调制方法的损耗分析及其非线性电压误差补偿策略[J].电力系统保护与控制,2022,50(2):21.TANG Mengyang,MIAO Yiru,YONG Tao.Loss analysis andnonlinear voltage error compensation strategy of DPWMMIN mod-ulation method[J].Electric Power Automation Equipment,2022,50(2):21.[17]㊀刘和平,路莹超,王华斌,等.电压型逆变器分段死区补偿调制策略[J].电机与控制学报,2018,22(3):25.LIU Heping,LU Yingchao,WANG Huabin,et al.Dead-timecompensation modulation strategy of subsection integrated in volt-age source inverter[J].Electric Machines and Control,2018,22(3):25.[18]㊀孙灵喜,黄海宏,韦友龙,等.基于负低-高通滤波器的并网电流反馈新型有源阻尼方法[J].电机与控制学报,2023,27(2):27.SUN Lingxi,HUANG Haihong,WEI Youlong,et al.Activedamping method for grid-connected current feedback based onnegative low-high pass filter[J].Electric Machines and Control,2023,27(2):27.(编辑:邱赫男)081电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀。
单相SPWM逆变器的死区效应分析和补偿策略_李剑
图 4 2种常用的死区补偿方法
在传统的死区分析中 , 误差电压是仅与输出 电流的极性相关且幅值恒定的正负方波。 如果没 有检测误差 , 这 2种开环补偿方案都能够对死区 效应实现精确补偿 , 但实际情况并不是这样 [3 ]。考 虑到开关管的通态管压降和开关时间的影响 , 以 IGBT 为例 , 设开通时间为 ton (包括开通延迟时间 和电流上升时间 ) , 关断时间为 toff (包括存储时间 和电流下降时间 ) , IGBT 的导通压降为 V sat , 二极 管的导通压降为 V d。以电流 i 流出桥臂为正方向 , 在 1个开关周期内取平均值进行分析 。 1)当电流 i> 0时 , 若 D 2 导通 , V dc V AN 1= - 2 - V d 若 T1 导通 , 14
V AN2= 如图 5g 所示 , V AN =
V dc - V sat 2
1 { (Δt+ tD+ ton - toff ) V AN1+ TC [ T C - (Δt+ tD+ ton - toff ) ]V AN2 }
V dc V dc * 1 V AN = T C Δt ( )+ ( T C - Δt ) 2 2 ∴ V e = V AN - V AN tD - ( toff - ton ) = - [ ( V dc + V d - V sat ) + TC * V d+ V sat V + ( s at - V d ) ] 2 V dc V
2 基本概念
单相全桥 SPW M 逆变器的主电路结构如图 1所示 ,其控制电路一般采用双极性 SPW M 调制 技术 。在理论上 ,同 1桥臂 2个开关管的驱动信号 应严格互补。 由于开关管实际上都存在一定的开 12
同步整流及 llc 死区时间
同步整流及 LLC 死区时间目录1. 同步整流概述2. LLC 调制技术简介3. 死区时间的重要性4. 提高死区时间的方法5. 结语1. 同步整流概述同步整流是一种用于直流电源系统中的电路，它的作用是将交流输入电压转换为直流电压输出。
这种电路通常用于电力电子设备中，例如变流器、逆变器等，也被广泛应用于新能源领域，如光伏发电系统、风力发电系统等。
同步整流电路的性能对整个系统的效率和稳定性具有非常重要的影响。
2. LLC 调制技术简介LLC 调制（LLC Resonant Converter）是一种高效率、高性能的拓扑结构，常用于电源转换器中。
它由电感、电容和开关器件组成，能够在较高的频率下工作，因此具有较高的功率密度和转换效率。
LLC 调制技术在大功率电源领域得到了广泛的应用，尤其在高性能服务器、通信设备、工业设备等方面发挥了重要作用。
3. 死区时间的重要性在同步整流及 LLC 调制电路中，死区时间是一个至关重要的参数。
它指的是两个开关器件同时导通或关断时的时间间隔，这个间隔时间是为了避免在交流电源转换到直流电压时引起破坏性的电流冲击。
如果死区时间设置不合理，就容易导致开关器件同时导通或关断，造成开关器件损坏或系统性能下降。
合理设置死区时间对于同步整流及 LLC 拓扑电路的稳定工作至关重要。
4. 提高死区时间的方法为了提高死区时间的准确性和稳定性，工程师们提出了一系列方法和技术。
采用精准的时间控制器和逻辑电路可以确保死区时间的精确控制，以满足不同工况下的要求。
采用智能的控制算法，结合实时反馈的信息，可以动态调整死区时间，适应不同的工作环境。
采用高性能的开关器件或者增加并联开关器件的方式，也可以有效降低死区时间的影响，提高系统的稳定性和可靠性。
5. 结语同步整流及 LLC 调制技术在电力电子领域有着广泛应用和发展前景，而死区时间作为关键参数之一，对于整个系统的性能和稳定性具有重要影响。
随着技术的不断进步和创新，相信工程师们会提出更多更优秀的方法和技术，进一步提高死区时间的准确性和稳定性，为同步整流及 LLC 调制电路的性能提升和系统可靠性保障提供更好的保障。
什么是“死区时间”？如何减小IGBT的死区时间
什么是“死区时间”？如何减小IGBT的死区时间在现代工业中，采用IGBT器件的电压源逆变器应用越来越多。
为了保证可靠的运行，应当避免桥臂直通。
桥臂直通将产生不必要的额外损耗，甚至引起发热失控，结果可能导致器件和整个逆变器被损坏。
下图画出了IGBT一个桥臂的典型结构。
在正常运行时，两个IGBT 将依次开通和关断。
如果两个器件同时导通，则电流急剧上升，此时的电流将仅由直流环路的杂散电感决定。
图1 电压源逆变器的典型结构当然，没有谁故意使两个IGBT同时开通，但是由于IGBT并不是理想开关器件，其开通时间和关断时间不是严格一致的。
为了避免IGBT桥臂直通，通常建议在控制策略中加入所谓的“互锁延时时间”，或者通常叫做“死区时间”。
这意味着其中一个IGBT要首先关断，然后在死区时间结束时再开通另外一个IGBT，这样，就能够避免由开通时间和关断时间不对称造成的直通现象。
1. 死区时间对逆变器工作的影响死区时间一方面可以避免桥臂直通，另一方面也会带来不利影响。
以图2为例，首先假设输出电流按图示方向流动，而IGBT T1由开通到关断，经过一小段死区时间后IGBT T2由关断到开通。
在有效死区时间内，两个开关管都是关断的，且续流二极管D2流过输出电流。
此时负的直流电压加在输出侧，此时电压极性符合设计的要求。
考虑另一种情况，T1由关断到开通，而T2由开通到关断，此时，由于电流还是沿着同一个方向，这一电流在死区时间依然流过，因此输出电压还是为负值，此时电压极性不是设计希望得到的。
结论可以总结如下：在有效死区时间里，输出电压由输出电流决定，而非控制信号。
图2 电压源逆变器的一个桥臂如果我们假设输出电流的方向与图2所示相反，那么当T1由开通到关断，而T2由关断到开通时，也同样会出现类似上述情况。
因此一般情况下，输出电压与输出电流会随着死区时间的加入而失真。
如果我们选择过大的死区时间，对于感应电机的情况，系统将会变得不稳定。
逆变器 过零 死区补偿-概述说明以及解释
逆变器过零死区补偿-概述说明以及解释1.引言1.1 概述逆变器是一种电力电子装置，用于将直流电能转换为交流电能。
它在各种应用场合中都扮演着重要的角色，如可再生能源发电系统、电动汽车和UPS电源系统等。
逆变器的工作原理是通过控制开关器件的通断，改变电流的方向和大小，从而实现直流到交流的转换。
然而，在逆变器的工作过程中，存在一个重要的问题，即过零区间的处理。
在交流电源中，电流和电压随时间变化呈正弦波形，当电流和电压通过零点时，需要及时切换开关器件的通断状态。
如果在切换过程中出现误差，将导致电流和电压的畸变，甚至会影响到逆变器的整体性能和效率。
为解决这一问题，逆变器中引入了过零检测技术和死区补偿技术。
过零检测技术用于准确检测电流和电压通过零点的时刻，以便实现开关器件的合理切换。
而死区补偿技术则是为了解决开关器件切换过程中的误差问题，通过控制延迟时间来避免同一通断周期内的误触发。
逆变器过零死区补偿的重要性不言而喻。
它不仅直接影响到逆变器的工作稳定性和输出电流电压的质量，还关系到整个系统的效能和可靠性。
因此，在逆变器设计和控制算法的研究中，逆变器过零死区补偿技术一直是一个重要的研究方向。
未来的发展方向也是值得关注的。
随着科学技术的不断进步，逆变器过零死区补偿技术将会更加精细化和智能化。
通过引入先进的控制策略和算法，可以进一步提高逆变器的性能和效率，同时减少系统的损耗和能量浪费。
此外，结合可再生能源和能量存储技术的发展，逆变器的应用范围也将不断扩大，对逆变器过零死区补偿技术的要求也将更为严格。
总之，逆变器过零死区补偿技术在逆变器设计中具有重要意义。
不断提升其准确性和稳定性，将有助于推动逆变器领域的发展，同时也为实现清洁能源的应用和能源转换提供了有力的支持。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：文章结构是指整篇文章的组织架构和各部分的内容安排。
本文将按照以下结构进行阐述：引言、正文和结论三个部分。
逆变器 过零 死区补偿
逆变器过零死区补偿全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：逆变器是一种电子器件，能够将直流电转换为交流电。
在逆变器中，过零是一个重要概念，而死区补偿则是一种常见的技术手段。
本文将对逆变器、过零和死区补偿进行详细介绍。
一、逆变器逆变器是一种将直流电转换为交流电的电子装置，它可以将直流电源转换为交流电源，以实现在交流负载上的供电。
逆变器的应用十分广泛，常见于太阳能发电系统、风能发电系统、电动汽车等领域。
逆变器的工作原理是通过将直流电源转换成包含多个不同频率的交流电源，这样可以满足不同负载的需求。
逆变器一般由开关元件、控制电路和输出滤波电路组成。
开关元件可以是晶闸管、二极管、场效应管等，控制电路负责控制开关元件的开关时间，输出滤波电路用于过滤输出电压的谐波。
二、过零在交流电波形中，过零指的是电压或电流的数值等于零的瞬间。
过零是一个重要的概念，因为在逆变器中，为了确保电路的正常工作，需要在逆变器输出波形的每个周期的开始和结束点都保证是零电压状态。
这样可以避免电路在开关时产生过大的峰值电流，从而保护电路元件不被过载。
为了实现过零，通常需要在控制逆变器的开关元件时，对电压或电流信号进行检测，当信号经过零点时，及时进行切换，以确保输出波形的平稳过渡。
通过精确的过零控制，可以有效地降低逆变器的谐波失真，提高输出波形的质量。
三、死区补偿在逆变器的控制过程中，死区是一个常见的难题。
死区指的是开关元件在切换时存在一段时间的延迟，这段延迟时间内开关元件同时导通或者同时关断，会导致电路出现短路或断路的情况。
这种现象会导致输出波形的失真，降低逆变器的效率和稳定性。
为了解决死区带来的影响，通常采用死区补偿技术。
死区补偿通过在控制电路中引入一个补偿信号，可以在开关元件切换时适当提前或延迟一定时间，从而避免开关元件同时导通或关断的情况发生。
这样可以有效地消除死区对输出波形的影响，保证逆变器的正常工作。
在现代逆变器设计中，通常会结合过零和死区补偿技术，以提高逆变器的性能和可靠性。
逆变器的基础知识
逆变器的基础知识随着现代科技的进步，逆变器的出现为大家的生活提供了不小的便利，逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220V,50Hz正弦波），它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成，广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等，在国外因汽车的普及率较高外出工作或外出旅游即可用逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。
下面为大家介绍一下逆变器的作用、特点、工作原理、分类、使用注意、安装使用方法、常见问题与处理方法。
一、逆变器的作用1、逆变器是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成交流电(一般为220v50HZ正弦或方波)。
通俗的讲，逆变器是一种将直流电(DC)转化为交流电(AC)的装置。
它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。
2、广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等。
3、简单地说，逆变器就是一种将低压(12或24伏或48伏)直流电转变为220伏交流电的电子设备。
因为我们通常是将220伏交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。
我们处在一个"移动"的时代，移动办公，移动通讯，移动休闲和娱乐。
在移动的状态中，人们不但需要由电池或电瓶供给的低压直流电，同时更需要我们在日常环境中不可或缺的220伏交流电，逆变器就可以满足我们的这种需求。
二、逆变器的特点1、转换效率高、启动快；2、安全性能好：产品具备短路、过载、过/欠电压、超温5种保护功能；3、物理性能良好：产品采用全铝质外壳，散热性能好，表面硬氧化处理，耐摩擦性能好，并可抗一定外力的挤压或碰击；4、带负载适应性与稳定性强。
三、逆变器工作原理1、逆变器是一种DC to AC的变压器，它其实与转化器是一种电压逆变的过程。
转换器是将电网的交流电压转变为稳定的12V直流输出，而逆变器是将Adapter输出的12V直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了用得比较多的脉宽调制（PWM）技术。
并网逆变器的无死区效应单周控制策略
的续流二极管所对应开关管 的驱动信号的上升沿 和下降沿分 别设 置死 区时间 ， 消除 了
死 区效 应 对 输 出 电能 质 量 的 影 响 ， 无 需进 行死 区补 偿 ， 降 低 了 控 制 电路 的 复 杂 度 。 结
合单周 控制思想 ， 提 出 了三相 并 网逆变 器 的无死 区效应单 周 控制 策略 。仿 真 结果 表
明， 无死 区效应单周控 制策略的并 网电流 的谐波 畸变 率明显 减小 ， 输 出 电能 质量 显著 提高， 具有普通单周控 制策略动态响应快 、 鲁 棒性好等优点。 关键词 ：并网逆变器 ；单周 控制 ； 无死 区效应 ； 单位功率因数 ； 谐 波畸变率
谢 禄江 （ １ ９ ７ ４ 一） ， 男， 工 程 师， 主 要 从
事电力 自动化 、 信息
通信 和配 电 网运维 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ ４ ６ ４ ． ９ 文 献 标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ １ － ５ ５ ３ ｌ （ ２ ０ １ ３ ） １ ８ － ０ ０ ３ １ － ０ ５ 技 术方 面 的研 究 。
Ｎｏ ｎ－ － Ｄｅ ａ ｄ－ － Ｔｉ ｍｅ Ｅｆ ｆｅ ｃ ｔ Ｏｎｅ Ｃｙ ｃ ｌ ｅ Ｃｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｇ ｙ ｆ ｏ ｒ
Ｇｒ ｉ ｄ ． Ｃｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ Ｉ ｎ ｖ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ
Ｘ Ｉ Ｅ Ｌ ｕ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ， Ｘ Ｉ Ａ Ｏ Ｘ ｕ
（ Ｙ ｏ ｎ ｇ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｙ Ｂ ｒ ａ ｎ ｃ ｈ ，Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｃ ｏ ｍｐ ａ ｎ ｙ ，
基于重复控制的SPWM逆变电源死区效应补偿技术
A Compensation Strategy for Dead-time Effect of SPWM Inverters Based on Repetitive Control
Duan Shanxu Sun Zhaohui Zhang Kai Kang Yong Wuhan Chen Jian China ） （ Huazhong University of Science & Technology Abstract 430074
图2 逆变器死区效应波形图
（ b ） VT1 理 想 驱 动 波 形 （ d ） VT1 实 际 驱 动 波 形 （ f） 电 流 i 极 性 检 测 （ h） 误 差 电 压 （ a ） 理 想 SPWM 波 形 V * AN （ c ） VT2 理 想 驱 动 波 形 （ e ） VT2 实 际 驱 动 波 形 （ g） 实 际 SPWM 波 形 V AN
430074 ）
在 SPWM 逆变器中，为防止同一桥臂的上下管直通现象，必须注入一定的死区时间，
死区会导致逆变器的输出波形畸变，即死区效应。在分析了死区时间对单相 SPWM 逆变器输出波 形特性的影响的基础上，提出了一种基于重复控制的死区补偿控制策略，该控制方法可有效地改 善输出电压的波形畸变，并在一台单相 400Hz、 5.5kW 装置上进行了详细的实验验证，实验结果 表明了该补偿策略的有效性和实用性。 关键词： 正弦脉宽调制 中图分类号： TM464 逆变器 死区 重复控制 补偿
（ i） 实 际 输 出 电 压 相 当 于 理 想 输 出 电 压 和 误 差 电 压 之 和
Fig.2 图1 Fig.1 单 相 全 桥 SPWM 逆 变 器 主 电 路 原 理 图 The main circuit of single-phase SPWM inverter
三相逆变电路中死区时间的设置与评价
三相逆变电路中死区时间的设置与评价摘要绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件在三相逆变电路的应用中，死区时间（也称互锁延时）受IGBT开关特性和驱动器的影响，且这些参数设计手册没有标识，需要结合IGBT结温、控制电压、直流母线电流、外围驱动电路等揭示内部关系，通过测试值代入死区计算公式得出死区时间，并通过测量直流母线的尖峰突起电流、持续时间及IGBT开关电压差，反推IGBT的结点电容量与设计手册的参数是否吻合，以此评价死区时间设置的合理性。
关键词IGBT；死区时间；双脉冲测试；栅极驱动电；引言现代工业应用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件控制三相逆变器输出的场合越来越多，暖通空调设备的变频驱动器应用也是其中之一。
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种综合了功率场效应晶体管(MOSFET)和双极型晶体管(BJT)结构的复合器件，并且同时吸收了两者的优点。
由于IGBT是非理想开关器件，内部有C ge、C gc（米勒电容）、C ce电容，不能瞬间从导通状态进入截止状态，反之亦然。
另外，变频驱动电路传输信号也存在一定的延时。
实际应用中，上、下桥臂的IGBT绝对不能同时开通，必须在控制过程加入互锁延时时间，即我们所说的“死区时间”。
实际上，IGBT及其二极管的开关特性受很多参数的影响，实际的开关特性与设计手册描述的特性，例如开通、关断特性可能会存在一定的差异。
因此，死区时间不是简单的关注IGBT设计手册上的参数，需要结合外围驱动电路，通过不同的环境温度实验测试来衡量，具体的时间也没有严格定义。
作为电能变换装置如逆变器等的使用中的一个重要参数，死区时间的设置对装置的性能有着重要的影响：死区时间设置过小会导致IGBT上、下桥臂直通，使器件发生短路而失效；死区时间设置过大，又会造成信号波形失真，输出效率严重降低，对感应电机的稳定性也会带来不利的影响。
所以通过测量，合理计算出合适的死区时间，以保证三相逆变驱动器正常工作。
三相桥式电压型逆变器电路的建模与仿真实验
三相桥式电压型逆变器电路的建模与仿真实验摘要：本文在对三相桥式电压型逆变电路做出理论分析的基础上，建立了基于MATLAB的三相桥式电压型逆变电路的仿真模型并对其进行分析与研究，用MATLAB 软件自带的工具箱进行仿真，给出了仿真结果，验证了所建模型的正确性。
关键词：逆变；MATLAB；仿真第一章概述1.1电力电子技术顾名思义，可以粗略地理解，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。
电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。
通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。
电力电子技术中所变换的"电能"和"电力系统"所指的"电力"是有一定差别的。
两者都指"电能"，但后者更具体，特指电力网的"电力"，前者则更一般些。
具体地说，电力电子技术就是对电能进行变换和控制的电子技术。
更具体一点，电力电子技术是通过对电子运动的控制对电能进行变换和控制的电子技术。
其中，用来实现对电子的运动进行控制的器件叫电力电子器件。
目前所用的电力电子器件均由半导体材料制成，故也称电力半导体器件。
电力电子技术所变换的"电力"，功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到数瓦甚至是毫瓦级。
信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是二者本质上的不同。
1.2电力电子技术的应用（1）一般工业中，采用电力电子装置对各种交直流电动机进行调速，一些对调速性能要求不高的大型鼓风机近年来也采用变频装置以达到节能的目的，除此之外，有些对调速没有特别要求的电机为了避免启动时的电流冲击而采用软启动装置，这种软启动装置也是电力电子装置。
电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水以及电镀装置均需要大容量整流电源。
电力电子产品还大量应用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。
单相全桥逆变电路原理
单相全桥逆变电路原理
单相全桥逆变电路原理
单相全桥逆变电路，也称为“单相四桥逆变电路（one-phase full-bridge inverter）”，是现今逆变器技术中最广泛应用也是最重要的逆变器之一。
其具有较好的控制性能例如可以实现无死区、任意调节占空比、相角以及低故障概率的特点，它的运行主要由四极、六极开关组成，结构比较简单，能够与电网兼容，降低电网内谐波及谐波污染，耗能少、增加可靠性高，并且在很多情况下更便于实现电源优化设计。
单相全桥逆变电路的工作原理主要是以周期变化的占空比，把拓扑结构的开关元件组织在一起，利用四个开关极组成的四极开关和六极开集结成每个周期实现四种连接方式：直流源端接回路，直流源端依次接入负载，中间接回路，以及中间接负载。
每个开关状态改变时，会分别在负载端产生一定的频率，重复循环此过程，便可输出一个额定电压、频率和正交瓦和谐波序列，也即是对负载供给一种正弦波电压电流信号。
另外，改变四极开关和六极开关的不同开关状态，也可提供不同的电压和电流、相位偏移等功能，实现了较为精准的调节和控制。
很显然，单相全桥逆变电路是一种目前比较常用的单相电源逆变器，它实现了电压、电流和频率对正弦波的圆满调节，为微型、小型的混合式动力系统的实施提供了可靠的基础设备，使其更好地适应电网的要求。
PWM控制技术 PWM逆变电路及其控制方法
☞在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，因 此通常可以考虑消去5次和7次谐波，根据需要确定基波分量a1的值，
再令a5和a7等于0，就可以建立三个方程，联立可求得1、2和3。
a1
2U d
(1
2 cos 1
2 cos 2
2cos3 )
a5
2U d
5
(1
2cos 51
2cos 52
☞负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有
一段区间为正，一段区间为负。
√在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，
uo=Байду номын сангаасd。
√V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0。
√在负载电流为负的区间，仍为V1和V4导通时，
因io为负，故io实际上从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud。
√V4关断，V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。
u(wt) an sin nwt
(7-3)
n1,3,5,
式中，an为
an
4
2 u(wt)sin nwtdwt
0
13/60
7.2.1 计算法和调制法
图7-9 特定谐波消去法的输出PWM波形
☞因为图7-9的波形是四分之一周期对称的，所以在一个周期内的12个开关时
刻（不包括0和时刻）中，能够独立控制的只有1、2和3共3个时刻，该波
图7-3 用PWM波代替正弦半波 4/60
7.2.1 计算法和调制法
■计算法 ◆根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内
的脉冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算 出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断， 就可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。
逆变桥无死区控制技术研究
一
２ 逆 变 器 死 区 效 应 分 析
以半桥逆变器 为例 分析逆变 器的死 区效应 ． 电 其 路如图ｌ 所示 。 为便 于分析 ， 定开关 管为理想 开 关 ， 假
２ ａｔｎ ｎ ｅｓ ， ａ ｔ ｇ２６ １ ，Ｃ ｉａ ． ｎｏｇＵ ｉ ｒ Ｎ ｖ Ｎ ｎｏ ２ ０ ９ ｈｎ ） ｎ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｄ ａ — ｍｅ ｅ ｅ ｔ ｏ ｎ ｉｖ ｒ ｒｉ ａ ａ ｙ ｅ ａ ｄ ａ ｎ ・ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｌｓ ｈ ｍｅ ｉ ｒ ｓ ｎ ｅ ｏ ｈ ｒ ｇ ｓｒ ｃ ： ｈ ｅ ｄ ｔ ｆ ｃｓ ｆａ ｎ ｅ ｔ ｓ ｎ ｌ ｚ ｄ， ｎ ｏｄ ａ －ｉ ｃ ｎｒ ｃ ｅ ｓｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｆｒｔ ｅ ｂ ｄ ｅ ｉ ｅ ｍｅ ｏ ｉ ｉ ｖ ｒｅ ． ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｕ ｒ ｎ ｏ ａ ｔ ， ｈ ｓ ｅ ａ ｅ ｄ ｃ ｍｐ ｓ ｄ ｎ ｏ ｗ ｗｉ ｈｎ ｃ ｌ ｔ ｏ ｔ ｄ ａ ・ ｍｅＴ ｅ ｎ ｅｔ ｒ Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｃ ｒｅ ｔ ｐ ｌｒ ｙ ａ ｐ ａ ｅ ｌｇ ｃ ｎ ｂ ｅ ｏ ｏ ｅ ｉｔ ｔ ｏ ｓ ｔ ｉ ｇ ｅ ｌ ｗｉ ｕ ｅ ｄ ｔ ． ｈ ｉ ｃ ｓ ｈ ｉ
第４ ４卷 第 ２期 ２ ０年 ２月 ０１
三电平逆变器死区效应
三电平逆变器死区效应电力电子技术的进步推动了电力系统的发展，三电平逆变器作为一种高效率和高性能的功率变换器件，已经得到了广泛的应用。
然而，在实际应用中，这些逆变器往往会受到死区效应的影响，从而降低其性能表现。
本文旨在探讨三电平逆变器中死区效应的成因以及相应的解决方法。
第一部分：死区效应的成因三电平逆变器中的死区效应指的是当逆变器切换信号发生变化时，由于晶体管或开关器件的导通延迟和关断时间，会导致输出电压短暂地接近于零。
这种现象会引发一系列问题，包括增加了逆变器的损耗、引起输出谐波的产生以及造成电机振荡等。
死区效应的主要成因有两个方面：1.器件的非理想性：逆变器中的晶体管或开关器件存在导通和关断的时间延迟，导致死区的产生。
这是由于器件的内部结构和材料特性引起的，无法完全避免。
2.控制信号的非理想性：逆变器的控制信号在实际应用中受到多种因素的影响，例如传输延迟、干扰等，这些都会导致控制信号的不准确性，进而造成死区效应的产生。
第二部分：死区效应的影响死区效应对三电平逆变器的性能表现产生了明显的影响，主要体现在以下几个方面：1.损耗增加：由于死区效应导致输出电压在切换过程中短暂接近零，会引发电流冲击，使逆变器的开关器件发生不必要的过渡导通或关断，从而增加了能量损耗。
2.谐波产生：死区效应会引起输出电压的脉动，从而产生谐波。
这些谐波会对电力系统的稳定性和电机的运行带来不利影响。
3.电机振荡：输出电压的不稳定性会导致电机的振荡，甚至引发电机失速等不良现象，从而影响系统的正常运行。
第三部分：死区效应的解决方法为了克服死区效应带来的问题，有以下几种解决方法：1.增加死区时间：通过延长器件的导通时间和关断时间，可以有效地避免死区效应的发生。
这需要在设计和控制中对逆变器的参数进行调整和优化。
2.改进控制策略：采用更加精确和准确的控制算法，可以提高控制信号的精度，从而减小死区效应的影响。
例如，可以采用先行触发技术或者预测控制方法等。
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显改善逆变器的输出波形，提高直流电压利用率，开关管驱动信号只在半个基波周期内有效，开关损耗显著降低，有
很好的实用价值。
关键词：逆变器； 死区效应； 无死区控制
中 图 分 类 号 ：TM464
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2010）02-0032-02
Study on No-dead-time Control Scheme for Inverter Bridges
软 开 关 弧 焊 逆 变 器 [J].电 焊 机 ，2003，33（8）：21-24. [3] Guihua Chao，F C Lee，M M Jovanovic.An Improved Full
Bridge Zero-voltage-switched PWM Converter Using a Sat-
1引言
在桥式逆变器中，为了避免开关器件 “直通”， 在同一桥臂的两个开关管开通与关断之间必须设置 一定的死区时间， 而死区时间的设置会使逆变器输 出波形产生畸变，降低直流电压利用率[1]。 该问题在 输出电压较低或开关频率较高时尤为明显。
文 献 [2] 针 对 采 用 脉 宽 调 制 的 电 压 型 逆 变 器 ， 提 出 了 死 区 补 偿 方 法 ； 文 献 [3] 根 据 逆 变 桥 输 出 电 流 极 性控制上下开关管驱动信号，以减小死区时间。 这两 种方法均需检测电流极性， 一般采用电流传感器或 电阻进行采样。 电流传感器检测精度高但价格昂贵； 电阻采样成本低， 但存在采样电阻功率损耗和信号 隔离问题。 文献[4]提出一种电流方向检测方法，以二 极管检测电路代替电流传感器来判断电流的极性。
3.1 无死区控制的可行性 电压源型变流器中死区时间存在的 3 个要素[5]：
①存在直流电压母线； ②由两个开关器件串联后构 成该母线上的一个桥臂； ③这两个开关器件需要以 开关频率交替导通。若这 3 个要素不同时存在，就无 需设置死区时间。
如图 1 所示的半桥逆变器， 当 iL＞0 时， 若 VT1 导通，电流从 VT1 流出；VT1 关断，电流从 VD2 续流。 此时，只有 VT1 和 VD2 起作用，VT2 的导通和关断对 iL 无影响，可以将其驱动信号封锁。 同样，当 iL＜0 时， 只有 VT2 和 VD1 起作用，将 VT1 的驱动信号封锁。根 据负载电流的极性，将桥臂等效为两个开关单元，如
图 3 所示，这样 td 存在的第 3 个要素就不存在了。
图 3 桥臂等效电路
3.2 控制方案 在每个开关周期， 逆变器的一个桥臂可等效为
两个开关单元，因此，一个桥臂只需一个控制信号 u。 桥臂上、 下开关管驱动信号 ug1 和 ug2 可以通过图 4 的逻辑电路得到。 电流极性用 I 表示，I=1，即 iL＞0 时， 开通 ug1，封锁 ug2；I=0，即 iL＜0 时，开通 ug2，封锁 ug1。
图 7 上开关管驱动信号产生逻辑
4 实验验证
采用简单的模拟器件， 根据上述无死区控制方 案，制作了实验电路进行研究。主电路采用图 1 所示 的半桥逆变器，Udc=100 V，开关频率 fs=20 kHz，负载 为电阻电感组合。
图 8 示 出 调 制 比 M=0.6 时 ug1，ug2 和 iL 的 实 验 波形。 可见，采用传统的有死区控制方案时，开关信 号高频脉动互补，iL 有很明显的畸变。
图 4 无死区控制方案的开关信号产生示意图
3.3 负载电流极性检测 由上述分析可知， 无死区控制实现的关键问题
是检测 iL 的极性。一般可采用电流传感器进行检测。 但实际上， 电流极性的检测问题可以转换为续流二 极管的导通问题，如图 5 所示。
图 5 负载电流极性检测
图 8 M=0.6 时的实验波形 当采用无死区控制时，开关管工作于半周调制，
图 6 二极管检测电路图
以 VT1 为例，判断 VT1 是否需要开通：①在 u 的 上升沿检测 VD2 的状态，若 VD2 导通，d2=“1”，VT1 立 即开通；②在实际系统中，若 iL 很小或者接近于零（iL 的过零点），其极性很难检测。 文中采用加入一个小 的延时时间 td1 来确保电路可靠工作。 若在 u 的上升 沿 检 测 到 d2=“0”， 则 经 过 一 个 很 小 的 td1 后 再 检 测 VD1 的状态，若 d1=“0”，则开通 VT1，否则保持关断。 u 的下降沿为 VT1 的关断时刻，具体电路如图 7 所示。
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第 44 卷第 2 期 2010 年 2 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.44， No.2 February，2010
IGBT的集射级电压波形 uce 在驱动信号 uge 上升到门 槛电压之前已经下降到接近零， 说明 IGBT 是零电
超前桥臂肯定处于零电压软开关。 以所研制的软开关逆变点焊电源进行微细工件
Abstract：The dead-time effects of an inverter is analyzed，and a no-dead-time control scheme is presented for the bridge inverter.According to current polarity，a phase-leg can be decomposed into two switching cells without dead-time.The current direction can be determined by detecting the on-state of anti-parallel diode in a phase-leg，without expensive current sensor.A logic circuit based on the no-dead-time control is designed by a simple analog circuit，and the experiment is done with a half-bridge inverter.The experimental results verify that the output waveform is improved significantly，DC voltage utilization ratio is increased，and switching loss is reduced markedly as each drive signal is only effective for a half of fundamental cycle. Keywords：inverter； dead-time effects； no-dead-time control
摘要：分析了逆变器的死区效应，给出了桥式逆变器无死区控制方案。 根据电流极性将桥臂等效为 2 个开关单元，无
需设置死区时间。 采用桥臂反并联二极管导通方法检测桥臂输出电流方向，无需电流传感器，降低了成本。 采用简单
的模拟电路设计了无死区控制的逻辑电路，以半桥逆变器为例进行了实验研究。 实验结果表明，该控制方案可以明
方向为功率电子变换技术。
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2 逆变器死区效应分析
以半桥逆变器为例分析逆变器的死区效应，其电 路如图1所示。 为便于分析，假定开关管为理想开关， 即开通与关断均在瞬时完成，且通态压降为零，则在 死区时间 td 内，VT1 和பைடு நூலகம்VT2 都不导通，电流通过二极 管 VD1 和 VD2 续 流 ，ug1，ug2 为 VT1 和 VT2 的 驱 动 信 号。规定电流从桥臂流出时为正方向，则在 td 内输出 电 压 uo 的 大 小 与 负 载 电 流 iL 的 极 性 有 关 。 当 iL＞0 时 ，iL 通 过 VD2 续 流 ，uo=-Udc/2； 当 iL＜0 时 ，iL 通 过 VD1 续流，uo=Udc/2。 死区效应的分析如图 2 所示。
3 无死区控制及其实现
在 每 个 开 关 周 期 ，若 VD2 被 迫 导 通 ，则 iL 流 出 桥臂，I=1；同理，若 VD1 导通，则 iL 流入桥臂，I=0。
图 6 示出二极管导通检测电路。 若 VDn 被迫导 通，检测点的端电压为负，比较器输出 dn 为正，记为 逻辑“1”；反之，记为逻辑“0”。
半周常关，iL 接近正弦。 当 iL 较小（如过零）时，延时 电路起作用，ug1 与 ug2 部分脉动互补； 当 iL 较大时， 很容易检测二极管的导通状态， 延时部分对电路的 工作无影响。 延时环节的引入保证了无死区控制电 路的可靠工作。 表 1 示出两种控制方案下 iL 的畸变 率 THD 和有效值 IL 的比较。 由表 1 可见，死区时间 对输出电流的大小和失真度影响明显， 尤其是在 M 较小时，当采用无死区控制方案后，THD 明显减小， IL 得以提高，即直流电压利用率提高。 （下转第 76 页）
压开通，零电压的范围比较宽。
的点焊试验。 图 7a 为输出电流原始瞬时波形图，可
见，电流纹波较大；图 7b 为输出瞬时电流小波滤波
后的波形图，可见 io 精度比较高，具有缓升角度，可 以避免大电流冲击。
图 5 程序流程图
图 7 试验波形
6结论
设计了一种使用饱和电感拓宽零电压软开关范 围的电路拓扑， 采用基于峰值电流模式的双闭环控 制系统，研制了基于 SOC 的精密软开关逆变点焊电 源。 试验结果证明，该软开关电源设计合理，系统响 应速度快，控制精度高，可用于微型工件的点焊。
参考文献
[1] 曹 彪 ，曾 敏 ，朱 祥 彪.精 密 逆 变 电 阻 点 焊 的 应 用[J].电
焊 机 ，2003，33（1）：31-33.
[2] 李 远 波 ，黄 石 生 ，王 振 明 ，等.基 于 模 糊-峰 值 控 制 模 式 的
图 6 滞后桥臂 IGBT 软开通、软关断波形
在图 6b 中，uge 下降到零后，uce 才开始从接近零