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三相SPWM无死区控制技术仿真研究

作者 :赵伟杰更新时间:2012-11-12

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(杭州电子科技大学 自动化学院,浙江 杭州 310018)

摘要:在采用双极性的SPWM控制方式电压型桥式逆变器中,由于功率开关器件固有开关时间的影响,存在的死区时间,并导致的死区效应问题。针对此问题,本文提出了一种无死区的三相SPWM控制方法,分析了其原理,设计了实验电路,并利用multisim2001软件进行了仿真。仿真结果表明,该方法可以提高系统硬件资源的利用率,增强系统的可靠性,具有一定的实用价值。
关键词:正弦脉冲宽度调制 无死区 仿真
中图分类号:TM921.51 文献标识码:A 文章编号:1672-545X(2006)03
Three-phase SPWM Control Method of Non-dead-time

ZHAO Wei-jie
(School of Automation,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang 310018, China)
Abstract:In VSI (Voltage Source Inverter) with bipolar SPWM control, there is deadtime effect because inherent switching time in power devices. focus on the deadtime effect. The paper gives a non-deadtime three-phase SPWM control method,analysises the principle and designs the circuit,simulates by multisim2001. The result of simulation proves that the method can improve efficiency of hardware resource and dependability.
Key words:Sinusoidal Pulse-Width Modulation, Non-deadtime Simulation

0、 引言
在以SPWM 变换器为核心的三相电压源型桥式逆变电路中,对于采用双极性SPWM控制技术的逆变电路,由于功率开关器件管固有开关时间的影响, 开通时间往往小于关断时间, 因此容易发生同桥臂2 个开关管同时导通的短路故障。为了避免这种故障的发生, 通常需要设置开关时滞(亦称死区) △t, 以保证同桥臂上的1 个开关管可靠关断后, 另1 个开关管才能导通。由死区引发的死区效应始终是困扰研究人员的突出问题之一[1~3]。所谓死区效应是死区的存在使得输出不能精确的复制控制信号的波形,从而会导致输出电压失真, 引起反馈二极管续流,,引起输出谐波含量的上升。由于功率器件的延迟开通,变换器的输出电压存在幅值和相位的误差,而且误差的大小随负载而变化。目前一般的解决办法是对死区进行补偿。死区补偿在一定程度上解决了死区效应带来的危害,但是没有从根本上解决问题,能否采用一种不含死区的技术,这样就从根本上解决死区效应,文献4针对整流电路分析了死区时间的三要素及无死区控制方法,本文针对电压源桥式逆变电路进行了研究,并从单极性的SPWM控制原理出发,采用电路仿真软件multisim2001对无死区控制技术进行了仿真,得出结论是可行的。
1、单极性的SPWM控制技术
由面积等效原理可知[5],一个正弦波可以用如图1所示的单极性SPWM波形或
收稿日期 2006-5-8
基金项目:2005年杭州电子科技大学基金资助项目 KYF041505007
作者简介:赵伟杰 (1978—),浙江缙云人 工学硕士 电源技术、信息处理等
图1 单极性的SPWM控制方式
者双极性的SPWM方式[5]两种方式来代替。针对如图2所示三相桥式逆变电路,所谓双极性SPWM控制方式就是在一对桥臂功率器件上,如U1及U4施加互补的SPWM控制信号Ug1及Ug4,由于存在直流侧电压,功率器件的开通及关断均需要时间,因此为了避免桥臂功率管的直通,需要在交替导通色瞬间插入死区时间td(如图3所示),死区存在导致死区效应的产生。能否采用单极性SPWM控制方式,即在t∈(0,π)内,










U1采用SPWM控制方式,U4始终关断;在t∈(π,2π)期间,U4采用SPWM控制方式,U1始终关断,此时,上下功率管的切换时间就在nπ(n为整数)时刻进行,切换的频率大为缩小,基于采样法本身的原因,存在切换时间t(如图1 所示),因此上下功率管不会瞬时切换。由于死区时间的去除,因此可以在提高信号的载波频率上更加自如,据采样定理可知,采样频率越高,信号的失真度越小,输出信号复原控制波形的能力越强。对于逆变器,则表现为输出信号谐波越小。
图2 SPWM三相逆变主电路及死区时间

2、基于multisim2001的仿真技术
图4 multisim2001 仿真原理图
Multisim2001是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的电子电路仿真软件,是目前应用最为广泛的电子设计自动化软件之一。它具备如信号源、电路基本元器件、模拟集成电路、数字集成电路、指示部件、控制部件等各种元器件,同时提供了12种仿真分析[6](如直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、失真分析、直流扫描分析、参数扫描分析、零极点分析、传递函数分析、温度扫描分析、后处理分析等)和大量的仿真测试仪表(如示波器、万用表、瓦特计、扫描仪、失真仪、网络分析仪、逻辑转换仪、字信号发生器等)。Multisim2001软件具有界面形像直观,操作方便,分析功能强大,易学易用等突出优点[7]。
图 3 A相控制波形产生及逆变桥仿真图

基于单极性的SPWM控制技术,文章采用multisim2001软件进行了仿真。仿真原理图如图3所示,由于篇幅的关系,图3中只画出A相电压的控制电路图,图中可以看出,交流信号的初始相位角为零。采用的采样方法为自然采样法,用压控器件代替电力电子器件。一对桥臂功率器件的SPWM控制波形Ug1及Ug4如图4(a)所示,从图中可以看出,在J1导通期间,J4始终处于截止状态,J1和J4之间有数十微秒的相位差,因此无需设置死区时间。输出一相线电压波形如图4(b)所示。图5是为载波比N=30时,经过multisim2001软件自带的傅立叶线电压谐波分析结果图。a)
(b)
图4 无死区的SPWM控制及线电压波形图
图5 N=30 谐波分析图

3、结论
(1) 采用无死区的SPWM控制技术可以提高三相桥式逆变电路系统的可靠性,避免了可能由于死区时间设置的不当导致功率管的毁坏。
(2) 无死区控制技术避免了死区存在导致的死区效应,避免了死区补偿带来的系统资源的浪费,提高了效率。


参考文献
[1] Zhou, Dongsheng; Rouaud, Didier G. Dead-time effect and compensations of three-level neutral point clamp inverters for high-performance drive applications。IEEE Transactions on Power Electronics[J], v 14, n 4, Jul, 1999, p 782-788.
[2]Yamane, Yoshihiro, Ito, Dai-Ichiro Feynman-α formula with dead time effect for a symmetric coupled-core system Annals of Nuclear Energy[J], v 23, n 12, Aug, 1996, p 981-987
[3]Kawada, Y. (Seikei Univ); Kobayashi, S.; Watanabe, K.; Kawamura, T.; Hino, Y. Automatic compensation of dead time effects .Applied Radiation and Isotope[J]s, v 49, n 9-11, Sep-Nov, 1998, p 1123-1126
[4]杨德刚 赵良炳 刘润生等,死区时间的三个要素及无死区控制[J].电力电子技术,1999x(3),40~43.
[5]王兆安,黄俊主编.电力电子技术[M],北京.机械工业出版社(第四版) 2001.150-165.
[6]成新民,李祖欣.基于Multisim的电力电子电路仿真技术,2004 Vol.27 No.21.
[7]郑步生,吴渭编著.mutisim2001电路设计即仿真入门与应用[M]. 北京.电子工业出版社,2002.
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