1　引言

　　在三相桥式逆变电路中，一般采用双极性SPWM调制技术。由于一般功率管子的开通时间小于关断时间，为确保同一桥臂上下两管子不致发生直通故障，通常采用将理想的SPWM驱动信号上升沿（或下降沿）延迟一段时间T_d（即死区时间），但是这同时给逆变器带来了十分有害的死区效应。
　　死区效应已经越来越引起人们的注意，虽然由于SPWM逆变器变频机理所致，其输出电流波形不可能是完全光滑的正弦波，但是死区时间的设置会引起逆变器输出电流波形的交越失真，甚至引起电机振荡。不少人已提出很多死区补偿措施，但效果不甚理想，诸如存在补偿滞后、增加系统复杂性等问题。本文对SPWM逆变器的死区效应作了比较全面而又详细的讨论。首先阐述了死区时间对于逆变器输出电压产生的波动，进而从SPWM法中磁链矢量角度讨论死区时间对电动机负载产生的危害；通过数学模型和仿真分析了死区时间引起的附加谐波以及对电动机引起的附加损耗；最后提出了几种死区补偿的分析方法，为寻求更加有效的死区补偿技术、优化SPWM模式提供一些参考。

2　T_d对输出电压的影响

　　死区效应的存在，使精确设计的PWM控制信号不能准确无误地加到主电路开关器件的控制极，从而导致逆变器的实际输出电压波形偏离理论上的理想电压波形，有的脉冲宽度被拉长，有的脉冲宽度被缩短，由于在死区时间全部开关器件都是关断的，这种拉长和缩短与死区时间的长短和输出电流的方向有关。
　　三相逆变器的每一相都是由上下臂各一组开关三极管和二极管构成，不防以U相为例。设由逆变器流向负载的方向为输出电流i_U的正方向，如图1所示。死区效应使T₁、T₄在一个三角波周期（调制波周期）中的导通时间均减少了T_d。当i_U＞0时，换流在T₁和D₄之间进行，实际输出电压的正向脉冲宽度减少了T_d，对于理想输出电压而言，相当于叠加上了一个幅值为U_d、宽度为T_d的负脉冲；当i_u＜0时，换流在D1和T4之间进行，实际输出电压的正向脉冲宽度增加了T_d，对于理想输出电压而言，相当于叠加上了一个幅值为U_d、宽度为T_d的正脉冲，如图2所示。由此可以看出，在一个基波周期内U相电压叠加上了N（N为载波频率比）个这样的正负脉冲，这样随着N的增加，逆变器输出电压的失真度也就相应增加。

　　利用平均电压的概念，在一个三角波周期T_Δ中由死区时间T_d引起的U相输出电压误差ΔU_UN
可表示为：

    对于逆变器—电动机系统，作为负载的感应电动机希望获得一个圆磁场，也即希望逆变器输出三相对称正弦波电压加到三相电动机的定子绕组上，在三相电机绕组中该三相电压合成一个空间电压矢量，这样在一个输出正弦波周期中就产生了多个非零空间电压矢量U_i。在变频系统中，由于死区效应，每个空间电压矢量上都叠加上了一个偏差电压矢量ΔU_i，幅值为2｜ΔU_UN｜，方向和空间电流矢量I_i方向相反。相对于三相电流方向的六种组合，产生了六种空间偏差电压矢量，如图3所示，由于磁链矢量是空间电压矢量对时间的积分，这样就使原来电机中准圆形的旋转磁场产生了偏离，对电动机的运行性能产生不良影响。

3　T_d引起的附加谐波

　　逆变器输出端的电压或电流谐波是DC／AC变换器设计中遇到的一项非常艰巨的任务。由于谐波的存在，不仅造成功率因数降低，影响效率，而且还可能引起逆变器自身以及其他设备的工作失调。对于机电负载，谐波将会引起机械共振，同时造成电机低速转矩脉动。死区的存在使SPWM逆变器输出不能精确地复现控制信号的波形，必然产生新的谐波。
　　在一个基波周期内把N个由T_d引起的正负脉冲等效成一定高度的矩形波U_d，则其傅氏展开式为

式中Φ为功率因数角；ω₁为基波角频率。
　　为便于分析，如果忽略PWM调制波固有的谐波含量，而只考虑死区时间对基波电压的影响，则U相的输出电压可表示为

　　从第二项开始是谐波项，这是个交错递减的无穷级数。我们取Q作为T_d对基波的影响指数，则有

　　从（5）式很容易看出，Q随着T_d的增大而很快增大；另外Q也和负载特性有关，Φ增大，Q也要相应增大。
　　由电机的U／f特性可知，调幅比M随f₁的变化而变化，设M＝af₁（a为小于1的常数），则（4）式可写为

　　从（6）式可以看出，Q也随着N的增大而很快增大。这一方面意味着在低频时，T_d对输出电压的影响要加剧，另一方面也意味着在某个变频系统中选用开关频率高的功率器件，T_d的影响相对就比较大。图4（a）－（d）分别是N＝21和N＝9在T_d＝5 us和15 us两种情况下的实测频谱分布。图中THDv是总谐波失真度，即

　　式中U₁为基波电压有效值U_n为n次谐波电压有效值

　　对于电动机为负载的变频系统，这些以时间为函数的附加谐波在电动机中就会引起磁势和磁通的空间谐波分量，不妨把电动机看作是由一个“基波”电动机和多个“谐波”电动机叠加而成，则λ次“谐波”电动机的转差率S_dλ可表示为

式中n₁为定子磁场转速；
　　n为转子转速。
其等值电路如图5所示，其电流有效值I_1λ为

　　由空间矢量的概念就不难求出T_d引起的附加谐波对电动机引起的附加损耗。

4　死区补偿方法分析

　　由上述分析可知，死区效应对变频器性能产生了许多有害的影响，而且目前高速开关器件以其优越的性能价格比得到广泛的应用，这样随着开关频率的提高，死区效应问题也就变得更加严重。为此，寻求一种简便、有效的死区时间补偿方案是很有必要的。
　　死区补偿的基本思想可以从两个方面来考虑，一方面从电源的角度出发，其着眼点是如何使逆变器成为一个可以按照所需要求进行调频调压的三相对称正弦波电源。常用的方法有两种：电压反馈型和电流反馈型。前者是将三相的输出电压检测出来，同给定的PWM波进行比较，得到实际偏差电压，然后将偏差电压与给定PWM波叠加，得到新的给定。这种方法在时间上存在滞后性；后者是通过检测三相电流的极性来确定补偿电压，这种方法在电流过零点的检测上也存在滞后性。另一方面从电动机的角度出发，其着眼点是如何使电动机获得一个理想的圆磁场。把输出电流矢量和偏差电压矢量转化为同步旋转坐标系下进行补偿，克服了滞后性问题，但在硬件和软件的实现方面增加了复杂程度。
　　当然也可以从抑制谐波的角度出发，尤其是针对着低频时谐波分量相对比较高的特点，计算出特定的PWM波，对所选用的功率器件作相应补偿。

5　结论

　　（1）死区效应使逆变器输出电压产生波动，进而使电动机圆磁场产生新的偏移，危害电机的运行性能。
　　（2）死区效应使逆变器输出电压波形增加附加谐波，进而增加电机附加损耗。
　　（3）死区补偿可以从逆变器或电机方面考虑，也可以从抑制谐波方面考虑。

6　参考文献

1　陈国呈．PWM变频调速技术．北京：机械工业出版社，1998
2　陈硕等．电压型PWM逆变器输出误差分析及其补偿．电工技术学报，2001（4）：51～55
3　余功军等．一种IGBT变频器死区时间的补偿策略．电力电子技术，1997（4）：7～9