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1、 本科毕业设计（论文）单相全桥逆变器死区效应分析及补偿方法燕 山 大 学2012年6月 摘要逆变技术随着自动控制理论、电力电子技术、电了计算机、微电子学等的发展已经进入一个新的时代。SPWM控制技术应用广泛，优势日益突出。但死区效应问题也一直受广大学者的关注，补偿死区成了改善逆变器输出波形的一个重要课题。本文首先介绍了SPWM控制技术和逆变技术, 通过在一个载波周期内建立数学模型，分析了理想情况下三角波调制以后输出波形的的谐波分布情况，且分析了在SPWM逆变器中加入死区时间的必要性.文章详细分析了死区及开关器件的固有特性对逆变器输出及整个系统的影响，设计了一种基于重复控制的死区补偿方法，该方法
2、有效地改善了输出电压的波形畸变。 针对输出波形的周期性畸变，本文采用了基于内模原理的重复控制器对波形进行校正。MATLABSimulink的仿真结果证明，这种控制策略能有效改善由死区效应引起的输出波形的周期性畸变。关键词正弦脉宽调制(SPWM) 逆变器 死区 重复控制器 Analysis and Compensation Strategy of Dead-time Effects for Single-phase SPWM InverterAbstractWith the development of modern control theory，electronic technology of
3、 electric power，electronic computer，microelectronics，etc. inverter technology has already entered a new era. The application and the advantage of using SPWM is outstanding day by day. Dead-time effects issue arouse the attention of the masses of scholars，to compensate the influences of dead-time bec
4、omes a piece of important subject to improve the waveforms of inverterSPWM control technology and inverter technology has been recommended in this paper.In order to analyze the distribution of harmonic wave of the output wave modulated by triangle wave in ideal circumstance,an mathematical model in
5、one period of carrier has been set up.And the necessity to input dead time in t- he inverter has been analyzed too.The infIuence of dead-tlme and characteristics of switching-devices on output voltage in single-phase SPWM inverters is analy- zed in detail.A dead-time compensation strategy based on r
6、epetitive control is designed.It can provide excellent inverter output voltage distortion correction.Aiming at this abensence of output waves，the repetitive controller based on the intemal model was put forwardThe simulaton result of Matlab/Simulink verified that the scheme is effective and feasible
7、 for seasonal abensence produce- d by the dead-time of output waves. KeywordsSPWM inverter dead-time the repetitive controller 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 1第2章 12.1 1第3章 13.1 1结论2参考文献3致谢4附录15附录26第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 概述随着电力电子技术的迅速发展，SPWM逆变器已在UPS系统中得到广泛应用。为满足小型轻量化的要求，主电路的开关频率越来越高。在理论上，SPWM逆变器
8、输出电压中的谐波分量应该聚集在以开关频率及其倍频数为中心的周围，当此谐波被LC滤波器滤除后，输出电压应为失真度相当小且严格正比于调制比的正弦波形。但在实际应用中，由于死区时间的设置和开关器件固有特性(通态电压降和开关时间)的影响，给输出电压造成了严重的波形畸变和基波电压损失。电力电子器件是弱电控制强电的核心1，它经历了由半控到全控，电流控制到电压控制这样一个发展过程，目前它正向大功率、高频化、模块化、智能化方向发展。随着逆变器在交流传动、UPS电源和有源滤波中等的广泛应用，以及高速全控开关器件的大量出现，PWM技术已成为逆变技术的核心，因而受到了人们的高度重视。尤其时最近几年，微处理器应用于P
9、WM技术和数字处理器DSP的开发应用，到目前为止仍有新的PWM方式在不断出现。1.1.2本课题国内外研究动态、目的和意义随着石油，煤和天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。利用新能源的关键技术一逆变技术能将蓄电池，太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化成的电能变换成交流电能与电网并网发电。因此逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位2. DC-AC逆变器具有广泛的应用前景，可以应用到如下领域：(1)以直流发电机，蓄电池，太阳能电池和燃料电池为主直流电源的场合，如航空静止变流器，通信静止变流器；（2)以变频或恒频交流电为主交流电源且采用交-直交变换方案的场合，
10、如飞机变速恒频电源和变频电源；(3)不间断电源(UPS)eP的核心环节逆变器；(4)作为校表台产品的电压，电流标准源电压功率放大器，电流功率放大器；(5)交流电机调速系统的核心环节逆变器。国内外许多学者在逆变器死区这一问题上进行了许多卓有成效的研究，已经提出了许多种逆变器的死区补偿方法，其中有许多方法已得到实际应用。比较典型的研究有：Murai Y在1985对逆变器死区效应进行了分析，指出变频器因受死区的影响其输出电流波形将产生交越失真，甚至引起系统振荡3。Seung-Gi Jeong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死区的硬件电路和补偿方法4。Summers B
11、etz等提出根据相电流极性对每相电流进行预测再进行反馈补偿的方法。Chio W采用硬件检测电流的极性，再根据反馈量对下一个周期进行补偿5。01iveira指出根据调制波形的幅值，通过改变开关频率对死区进行补偿能较好地抑制谐波6。对幅值较小和无相位误差的死区问题，Leggate提出了基于脉冲技术的补偿，该方法对开关频率、载波频率和负载都单独的，需要对每个载波周期进行采样7。Munoz-Garcia提出的补偿方法是基于相电流过零瞬时检测来进行的8。A1fredo R提出矢量补偿法，将死区误差电压看成另一个电压矢量，并将它与给定电压矢量进行合成，共同作用于逆变器，用以补偿死区产生的影响9。JungS
12、oo通过在电流过零点加一滞环，在滞环时内使用正常的开关死区保护，在滞环时间外，根据相电流方向只给一个开关器件提供驱动信号来实施补偿10。由于电流采样中的干扰和电流变化的复杂性，Kyu Min Cho提出在电流过零点附近的区域给出两路驱动信号并加入死区及补偿利用PWM关断时刻实现换流时的开关死区保护，可消除开关死区的影响11。Jong-Lick Lin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，该模型的特点是具有滞环结构，根据此模型可由一计算公式实现死区补偿12。国内在逆变器死区方面的研究起步比较晚，持续研究的学者有陈国呈和刘风君等13-15。陈国呈指出由于三相SPWM逆变器每
13、60o区间中，必有一相电流与另外两相极性相反，在进行补偿时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，从而使线电压波形为正弦波14。吴茂刚，赵荣祥，汤新舟对电压源型空间矢量脉宽调制逆变器的死区效应，提出了一种根据电流矢量判断电流极性的死区补偿方法2。徐先勇，欧朝龙，罗安，方璐，方厚辉研究了一种无电流传感器近似无死区逆变器开关控制方法3。王连芳提出了减小零电流钳位和寄生电容影响的死区效应补偿方法4。王高林，贵献国，于泳，徐殿国介绍了一种应用于永磁伺服系统矢量控制的电压型PWM 逆变器的死区效应补偿方法。1.1.3研究的主要内容单相全桥SPWM逆变器其控制电路一般采用双极性SP
14、WM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关时间，且一般情况下开通时间略小于关断时间。如果将1对严格互补的驱动信号加到同一桥臂的2个开关管上，当1个开关管尚未完全关断时另一个开关即已导通，此时2个管子均处于导通状态，这会造成直流母线短路而损坏开关管。因此，在桥式逆变器中同一桥臂2个开关管的驱动信号应设置死区，将驱动信号的上升沿滞后一段时间Td，待1个开关管完全关断后再开通另1个开关管，从而避免开关过程中桥臂直通现象的发生。本文通过介绍单相SPWM逆变器原理，在一个载波周期内建立数学模型，分析了理想情况下三角波调制以后逆变器输出波形的的谐波分布
15、情况。为了保护逆变器，同一桥臂两开关不能同时导通，因此在用于控制的SPWM信号中设置一定的死区时间，这种设置带来了死区效应，比如基波电压降低，PWM含有奇次谐波。这种周期性畸变与死区时间，负载功率因数等都有一定关系。通过检测数据，仿真等手段详细讨论了各种情况下波形畸变和这些因素的关系。 第2章 脉宽调制和单相SPWM逆变电路简介21正弦脉宽调制的原理 PWM控制的理论基础是面积等效原理，面积等效原理是指冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换加以分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。用SPWM替代正弦波的方法如图2-1所示，首先把一个正弦波N等分，然后将正弦曲线每等分所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲代替，并使矩形脉冲的中心线与对应的正弦等分中点重合，这样便可得到一串脉冲高度不变、但宽度按正弦规律变化的脉冲列。22正弦脉宽调制的实现产生SPWM波形的办法有调制法和计算法。调制法是把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号匹配时调制得到所期望的PWM波形
