一种新颖的死区补偿时间测量方法

   孙向东  钟彦儒  任碧莹  周  炳（西安理工大学  710048）

摘  要：本文在分析了死区效应基础上，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，因而提出了一种新颖的死区补偿时间离线测量方法，并在该方法基础上，根据输出电流大小进行分段补偿。实验结果证明该方法是有效的和可行的。

关键词：死区补偿  模块参数  离线测量

A Novel Measuring Method for Dead-time Compensation

Sun Xiangdong  Zhong Yanru  Ren Biying  Zhou Bing

（Xi’an University of Technology 710048 China）

Abstract：Based on the analysis of dead-time effect，and relevant parameters of power module vary as different currents so as to cause different loss of output voltage，therefore，a novel off-line measuring method for dead-time compensation is proposed and in terms of the method according to different magnitude of output current，different compensation time is used。Experimental results verify the method is valid and feasible。

Key words：dead-time compensation  module parameter  off-line measurement

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[4]-[8]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。[2]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。[1]和[3]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。

2  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Vd。由图2（b）、（c）和（d）可以得出时间误差terr = toff - td - ton。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[3]：

同理，当电流由负载流向电源时（即负向电流），可以求出

  ,    

（a）理想开关驱动波形

（b）设置死区时间后的驱动波形

       （c）参考电压波形

     （d）实际输出电压波形

（e）补偿后的输出电压波形

     图2  死区效应分析波形

Fig.2  Analysis for dead-time effect

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、Vsat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。

3  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（100mS~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ΔVCOM表示补偿电压，ΔV表示电压损失，Vs*表示U相定子平均参考电压。

将ΔVCOM和ΔV相减获得补偿后的电压误差：

于是图4（a）简化为图4（b），若施加两个不同脉冲宽度的直流平均电压，则产生不同的两个直流平均电流，因此可推导出：

由式（9）和（10）可得：

由式（7）和（11）可得：

由于死区补偿的目标就是使        ，

即

其中，Δt1和Δt2分别表示两种脉冲宽度时有效矢量作用时间。

因此，根据式（13）闭环调整死区补偿时间Tcom，最终使ΔVerr=0，然后由测得的Tcom再进行死区效应的在线补偿，闭环控制系统如图5所示。

另外，为了在各种电流情况下更好地实现死区补偿，本文还采用电流分段补偿方法来修正补偿效果。在测试实验中，死区时间为5μS，根据图5系统原理，针对四种电流情况分别求出相应的Tcom值，存贮在EEPROM中，然后根据电流大小补偿死区效应，如表1所示。

4  实验结果

采用TI生产的TMS320F240为核心控制器。功率模块是EUPEC生产的BSM35GD120DN2，典型开通时间为120nS，关断时间为450nS，Vsat为2.7V，Vd为2.3V。在图6、图7和图8中，输入电源电压380V，电机功率4kW（9.5A/380V），载波频率5kHz，死区时间5μS。

图6分别表示U相电流、离线测试的补偿时间和误差电压波形，其中对于U相施加的两个有效矢量作用时间的初始值分别为Δt1=25μS，Δt2=15μS，由于在每个测试周期内两个电流值的变化只有几十毫安，而电流检测时2安/格，所以U相电流变化趋势不明显，实际上两个电流比值逐渐靠近某个恒值。而从补偿时间和误差电压波形可以清晰看到闭环调节的过程。

图7表示U、V和W相电流波形（2A/格），其中iV = iW，iU = 2iV。

由图6和图7可见：在一种直流脉冲宽度作用的时间内，定子电流是平值的，因此证明上述分析中的假设是成立的，同时也说明了离线检测方法的正确性。

图8（a）、（b）、（c）和（d）分别表示不同输出频率时，补偿前后的一相定子电流波形。其中，补偿后的电流波形是参照表1数据进行补偿的。由（a）、（b）和（c）图可见：在低频时，补偿前的电流发生严重畸变，补偿后的电流波形接近正弦，而且补偿前后电流均方根值有所不同，这主要由于死区影响造成的。由（d）图可见，输出频率30Hz时，补偿前的电流发生振荡，补偿后避免了振荡情况。因此，证明利用上述方法测得的补偿时间进行死区补偿是可行的。

5  结  论

本文针对由死区时间td、ton、toff、Vsat及Vd等参数所造成的输出电压损失，而采取了一种新颖的死区补偿时间测量方法。同时，根据上述参数随电流变化而变化的特点，采取了电流分段测量方法，对不同电流的死区补偿采用不同的Tcom。实验结果证明了该方法是可行的，具有很好的实用价值。

参考文献：

[1]  Jong-Woo Choi and Seung-Ki Sul. Inverter Output Voltage Synt- hesis Using Novel Dead Time Com- pensation[J],IEEE TRANS. Power Election,vol.11,No.2,MARCH 1996, pp.221-227

[2]  Alfred R.Munoz and homasA.Lipo.

On-line Dead-time Compensation Technique for Open-loop PWM-VSI Drives[J], IEEE TRANS.Power Election,vol.14,No.4,JULY1999,pp. 683-689

[3]  Jong-Woo Choi and Seung-Ki Sul. A New Compensation Strategy Reducing Voltage/Current Dist- ortion in PWM-VSI Systems Oper- ation with Low Output Voltage[J] IEEE TRANS.Ind.Appl.,vol.31,

No.5,Sept/Oct.1995,pp.1001-1008

[4]   R.C.Dodson, P.D.Euans, H.Taba-

tabaei Yazdi and S.C.Harley. Compensation for dead time deg- redation of PWM inverter wave- forms[J],IEEE Proc.,vop.137,

Pt.B,No.2,March 1990,pp.73-81

  [5]   Y.-H.Liu and C.-L.chen.Novel dead time compensation method for induction motor drives us- ing space vector modulation[J], IEEE Proc. Electr. Power Appl., vol.145,No.4,July1998,pp.387-392

  [6]   Ciro Attaianese and Giuseppe Tomasso.Predictice Compensa- tion of Dead-time Effects in VSI Feeding Induction Motors[J],

IEEE TRANS.Ind.Appl.,vol.37,

No.3,May/June 2001,pp.856-863

  [7]   S.G.Jeong and M.H.Park.The ana- lysis and compensation of dead- time effects in PWM inver-

ters[J], IEEE TRANS.Ind.Elec-

tron.,vol. 38,pp.108─114,

April 1991

  [8]   D.Leggate and R.J.Kerkman. Pulse-based dead-time compen- sation for PWM voltage inver- ters[J],IEEE TRANS.Ind.Elec-

tron.,vol.44,pp.191-197,April 1997