【摘要】本文簡單介紹了三相SPWM逆變器及其死區(qū)時(shí)間，建立了電路的MATLAB仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果討論了基波頻率，調(diào)制度，載波比這些參數(shù)對(duì)死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

【關(guān)鍵詞】逆變器;基波頻率;調(diào)制度;載波比;死區(qū)效應(yīng)

1.三相SPWM逆變電路及其死區(qū)時(shí)間設(shè)置

SPWM法就是用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化且和正弦波等效的SPWM 波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出的電壓和幅值。在三相SPWM橋式逆變電路中，一般采用雙極性SPWM調(diào)制技術(shù)。

在理想情況下，逆變器每個(gè)橋臂的上下兩個(gè)開關(guān)器件嚴(yán)格輪流導(dǎo)通和關(guān)斷。但實(shí)際情況是，每個(gè)器件的通、斷都需要一定的時(shí)間，尤其是關(guān)斷時(shí)間比導(dǎo)通時(shí)間更長。在關(guān)斷過程中，如果截止的器件立即導(dǎo)通，必然引起橋臂短路。為了防止這種情況發(fā)生，必須在驅(qū)動(dòng)信號(hào)中引入一段死區(qū)時(shí)間Td。在此時(shí)間內(nèi)，橋臂的工作狀態(tài)將取決于兩個(gè)續(xù)流二極管和該相電流的方向，死區(qū)的加入將引起死區(qū)效應(yīng)，導(dǎo)致逆變器的輸出波形崎變，可以通過改變調(diào)制波的頻率和幅值調(diào)節(jié)輸出電壓波形，分析它們對(duì)死區(qū)效應(yīng)的影響。

2.三相SPWM逆變電路及其仿真技術(shù)

圖1為三相橋式SPWM型逆變電路，對(duì)應(yīng)的圖2為三相橋式SPWM型逆變電路的仿真模型圖，其中載波頻率為7500Hz，基波頻率為500Hz，載波比為15，載波幅度為0.9，調(diào)制波幅度為1，調(diào)制比為0.9。逆變器主電路通過六個(gè)IGBT/Diode開關(guān)構(gòu)成，由SPWM PULSE提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由載波與三個(gè)不同相位的信號(hào)波的大小比較得到三路互補(bǔ)的控制信號(hào)，分別控制六個(gè)功率器件的通斷，最終通過電壓測量模塊測出U、V、W相的電壓。

圖1 三相電壓型橋式逆變電路

圖2 三相SPWM逆變器的仿真圖

3.各控制參數(shù)對(duì)SPWM逆變器死區(qū)效應(yīng)的影響

在三相SPWM逆變器的仿真模型圖2中，加入死區(qū)時(shí)間后，可以通過改變載波比、輸出基波頻率以及調(diào)制度來分析這些控制參數(shù)對(duì)SPWM逆變器死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生的影響，通過觀察輸出基波和各次諧波幅值的變化，得出結(jié)論。其中載波比為載波頻率與調(diào)制信號(hào)頻率之比，調(diào)制比為調(diào)制波幅值與載波幅值之比。

3.1 基波頻率對(duì)死區(qū)效應(yīng)的影響

選取直流電壓為100V，載波幅值為1，調(diào)制波幅值為0.9，則調(diào)制比ma=0.9。令載波比N=15，改變基波頻率，使其從100Hz到400Hz之間變化，并使載波比保持不變，進(jìn)而分析不同死區(qū)時(shí)間下，不同的基波頻率對(duì)死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生的影響。

由表1分析可知，當(dāng)載波比N和調(diào)制比ma不變時(shí)，隨著基波頻率fs的增大，基波電壓幅值不斷減小，各低次諧波含量逐漸增加，電壓波形畸變率也隨之逐漸增大，死區(qū)效應(yīng)越嚴(yán)重，并且隨著死區(qū)時(shí)間的增加，死區(qū)效應(yīng)不斷增強(qiáng)。

表1 基波頻率對(duì)死區(qū)效應(yīng)的影響

基波頻率（Hz）

死區(qū)時(shí)間 （us） 100 200 300 400

3 THD（%） 81.18 81.59 82.36 82.65

五次諧波含量（%） 0.28 0.58 0.88 1.11

七次諧波含量（%） 0.24 0.52 0.79 0.95

4 THD（%） 81.52 82.10 83.10 83.56

五次諧波含量（%） 0.38 0.78 1.18 1.52

七次諧波含量（%） 0.32 0.70 1.06 1.30

5 THD（%） 81.86 82.60 83.82 84.43

五次諧波含量（%） 0.47 0.98 1.49 1.92

七次諧波含量（%） 0.40 0.88 1.34 1.64

3.2 載波比對(duì)死區(qū)效應(yīng)的影響

選取直流端電壓為100V，基波頻率為500Hz，調(diào)制波幅值為0.9，載波幅值為1，則調(diào)制比ma=0.9。載波比N=載波頻率/基波頻率，通過設(shè)置不同的載波頻率（5000Hz，7500Hz，10000Hz）來觀察不同死區(qū)時(shí)間下，不同載波比對(duì)死區(qū)效應(yīng)的影響。

表2 載波比對(duì)死區(qū)效應(yīng)的影響

頻譜指標(biāo)

死區(qū)時(shí)間（us） THD（%） 五次諧波

含量（%） 七次諧波

含量（%）

3 N=10 80.85 0.71 0.56

N=15 80.82 1.41 1.14

N=20 82.92 1.50 1.17

4 N=10 81.07 1.16 0.72

N=15 81.53 1.89 1.50

N=20 84.43 2.3 1.64

5 N=10 82.12 1.56 0.81

N=15 83.78 1.52 0.65

N=20 85.5 3.27 1.75

表3 調(diào)制比對(duì)死區(qū)效應(yīng)的影響

頻譜指標(biāo)

死區(qū)時(shí)間（us） THD（%） 五次諧波

含量（%） 七次諧波

含量（%）

3 ma=0.6 122.57 1.63 0.90

ma =0.9 80.82 1.41 1.14

ma =1.2 58.90 2.8 0.43

ma =1.5 51.32 3.00 5.01

4 ma =0.6 126.70 2.81 2.37

ma =0.9 81.07 1.89 1.50

ma =1.2 58.74 3.01 0.52

ma =1.5 51.25 3.06 5.04

5 ma =0.6 128.30 3.65 3.05

ma =0.9 83.78 1.52 0.65

ma =1.2 58.56 3.24 0.59

ma =1.5 51.18 3.13 5.08

表2分析利用matlab仿真了不同死區(qū)、不同載波比對(duì)應(yīng)的頻譜及諧波含量（THD）值和五次、七次諧波含量，可總結(jié)為：當(dāng)基波頻率fs和調(diào)制比ma不變時(shí)，載波N比越大，電壓波形畸變率就越大，諧波含量就越多，死區(qū)效應(yīng)越嚴(yán)重，并且隨著死區(qū)時(shí)間的增大，死區(qū)效應(yīng)在不斷增強(qiáng)。

3.3 調(diào)制比對(duì)死區(qū)效應(yīng)的影響

選取直流端電壓為100V，載波頻率為7500Hz，調(diào)制信號(hào)頻率為500Hz，載波比N=15，調(diào)制比ma=調(diào)制波幅值/載波幅值，現(xiàn)令載波幅值為1保持不變，通過改變調(diào)制波幅值（0.6，0.9，1.2，1.5）分析不同調(diào)制比對(duì)死區(qū)效應(yīng)的影響。

從表3可以看出，當(dāng)基波頻率fs和載波比N不變時(shí)，調(diào)制比越大，基波電壓幅值就越大，電壓波形畸變率就越小，死區(qū)效應(yīng)就越微弱，并且隨著死區(qū)時(shí)間的增大，死區(qū)效應(yīng)在不斷增強(qiáng)，死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生的低次諧波含量也隨著調(diào)制比ma的變化而變化，當(dāng)malt;1時(shí)，諧波含量隨調(diào)制比的增加而減小，當(dāng)magt;1時(shí)，諧波含量隨調(diào)制比的增加而增大。

4.結(jié)論

（1）當(dāng)載波比N和調(diào)制比ma不變時(shí)，隨著基波頻率的增大，死區(qū)效應(yīng)會(huì)越嚴(yán)重，，電壓波形畸變率增大，各低次諧波含量增加。

（2）當(dāng)基波頻率fs和調(diào)制比ma不變時(shí)，隨著載波比的增大，死區(qū)效應(yīng)會(huì)越嚴(yán)重，導(dǎo)致電壓波形畸變率增大，各低次諧波含量增加。

（3）當(dāng)基波頻率fs和載波比N不變時(shí)，隨著調(diào)制比的增大，死區(qū)效應(yīng)會(huì)在減弱，從而導(dǎo)致基波電壓幅值增大，電壓波形畸變率減小。

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基金項(xiàng)目：本文受2013-2014年度包頭市科技局項(xiàng)目《三相SPWM逆變器死區(qū)效應(yīng)及其控制技術(shù)的研究》（項(xiàng)目編號(hào)：2013Z2010-03）資助。