一种新颖的死区补偿时间测量方法

一种新颖的死区补偿时间测量方法摘

要：该文详细分析了死区效应对逆变器输出性能的影响。同时，针对三相平衡负载，也讨论了基于平均定子电流的定子侧直流等效电路模型，根据在同一个开关周期内，两种不同的有效电压矢量作用时间与相应的定子电流关系，实现了死区补偿时间的离线动态调整，然后由测量的补偿时间再进行死区效应的在线补偿。另外，根据功率模块相关参数随电流变化导致输出电压损失不同，该文还采用了按照输出电流大小采用不同的死区补偿时间来进行补偿。最后，进行了补偿前和补偿后的实验，结果表明该方法具有较好的补偿效果。

关键词：死区补偿；模块参数；离线测量1

引言

由于半导体器件具有非理想的开关特性，因而导致了逆变器输出电压的非线性。文献[1～5]描述了死区效应的影响，其主要后果会导致基波电压损失，低次谐波增加，输出电流畸变，输出转矩减小，容易引起电机发生振荡现象，甚至无法正常工作。另外，除了死区时间影响之外，开关器件的开通时间(ton)、关断时间(toff)以及器件导通压降也会造成输出电压损失。但是，在大多数情况下，进行死区效应补偿时，都假设不管输出电流大小，死区补偿时间都不变。文献[6]针对某一功率模块，采用手工实测各个电流段的电压误差来补偿输出电压，该方法将随不同功率模块或不同厂家的功率模块而必须进行繁琐的手工实测工作，局限性较大。文献[7]和[8]采用施加直流定子电压，在静止坐标系3/2变换基础上，通过闭环求出补偿时间。本文在借鉴了上述方法基础上，提出了一种新颖的不需要进行坐标变换的死区补偿时间离线测量方法，并且针对不同电流采用不同的死区补偿时间，以便达到最佳补偿效果。实验结果证明了该方法的可行性。

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死区效应分析

图1是通用型逆变器主电路结构图。下面以U相桥臂的电流流向负载（即正向电流）为例，进行死区效应分析。

当电流流向负载时，上管导通时存在开关器件导通压降Vsat，下管续流时存在二极管导通压降。由图2(b)、(c)和(d)可以得出时间误差。根据参考电压伏秒面积等于补偿后伏秒面积原则，可以推导出误差电压为[8]：

同理，当电流由负载流向电源时（即负向电流），可以求出

由公式(1)可知，若Vdc保持不变，则输出电压损失与死区时间、器件开通时间、关断时间以及器件压降、二极管压降等有关。一般情况下，死区补偿时间一旦选定，就会一直保持不变，但ton、toff、Vast和Vd都随温度和电流大小的变化而变化，很难保证最佳补偿效果。本文仅考虑电流的影响，且不需要已知上述这些参数，只需通过施加不同直流定子电压的方法，离线测量出不同电流时的死区补偿时间Tcom值，来达到最佳补偿的目的。

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死区补偿时间离线测量方法

对逆变器连续施加一恒定的高频直流磁场，即连续施加一恒定脉宽的直流电压，如图3所示。

在一个开关周期中，只有“100”状态是有效矢量，即在t1～t2和t3～t4期间，电源向负载提供能量，给定子电感充电，这段时间称为有效矢量作用时间。其它时间都为零矢量，定子电感放电，如图3所示。

由于脉冲宽度和电压极性恒定，且连续作用一段时间（100～200ms），则定子电感在这段期间不停地重复充电、放电，并且每个开关周期的初始电流相同，即i(t0)=i(t5)，因此在整个开关周期内，电感能量变化为零，即电感两端电压为零。又由于开关频率较高（5kHz），在一个开关周期内，电感充、放电斜率很小，即电流变化不大，所以可以近似将定子电流看作不变的直流，其值等于电流平均值。因此，根据电机稳态数学模型及电气结构，认为在上述情况下，定子侧只有定子电阻rs参数（包括电感寄生电阻）耗能，而电感仅起维持电流连续作用。

假设三相负载平衡，考虑死区效应，则可得基于平均定子电流的U相定子侧直流等效电路模型，如图4（a）所示，其中△Vcom表示补偿电压，△V表示电压损失，V*s表示U相定子平均参考电压。

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