基于TMS320LF2407的SVPWM死區(qū)研究

對(duì)于三相全橋式變流電路，由于功率開(kāi)關(guān)管的非理想開(kāi)關(guān)特性，同橋臂的兩開(kāi)關(guān)管容易發(fā)生短路故障。為解決這一問(wèn)題，通常的辦法是加入一個(gè)死區(qū)時(shí)間，即在一只開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后隔一段時(shí)間再開(kāi)通另一只開(kāi)關(guān)管。如果提前 關(guān)斷且延遲 開(kāi)通，稱(chēng)為雙邊對(duì)稱(chēng)設(shè)置。若按時(shí)開(kāi)通,延遲 開(kāi)通，稱(chēng)為單邊不對(duì)稱(chēng)設(shè)置。
死區(qū)對(duì)SVPWM波形的影響由諸多因素決定。主要有：
1．死區(qū)寬度及設(shè)置方法。
2．負(fù)載功率因數(shù)角。
3.器件開(kāi)關(guān)規(guī)律(如SVPWM、SPWM)。
由于SVPWM控制方式較SPWM方式復(fù)雜，其死區(qū)的影響很難用簡(jiǎn)單的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)，公式推導(dǎo)難度較大。而仿真計(jì)算簡(jiǎn)單易行，可以大體上反映其規(guī)律。

SVPWM波形模型
在計(jì)算中SVPWM波形模型采用的是TMS320LF2407內(nèi)部硬件支持的單邊不對(duì)稱(chēng)死區(qū)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，SVPWM波的基波幅值設(shè)為最大，即矢量頂點(diǎn)的軌跡是正六邊形的內(nèi)切圓(如圖2)。不考慮電流過(guò)零點(diǎn)落在死區(qū)內(nèi)的情況，這種近似帶來(lái)的誤差很小，而且隨載波比的增加而減小。認(rèn)為器件的開(kāi)關(guān)特性是理想的。
SVPWM波形模型如圖1所示，在360度內(nèi)分為6個(gè)區(qū)間，由于各區(qū)間內(nèi)脈寬規(guī)律不同，在6個(gè)區(qū)間內(nèi)單獨(dú)計(jì)算諧波。6個(gè)區(qū)間的諧波累加便可得到SVPWM波形模型的諧波。
給出T0、T1、T2(圓軌跡下的百分值)公式，不作詳細(xì)推導(dǎo)：
T0=COS( /6- )
T1=frac{SIN( /3- )}{SIN +SIN( /3- )}(1-T0)
T2=frac{SIN }{SIN +SIN( /3- )}(1-T0)
其中 設(shè)T0+T1+T2=1
為合成矢量與T1對(duì)應(yīng)矢量夾角
結(jié)果分析
在每個(gè)載波周期內(nèi)對(duì)SVPWM波模型進(jìn)行手工積分，用軟件將結(jié)果計(jì)算出來(lái)并累加。計(jì)算中不計(jì)管壓降，取直流電壓為1，載波比為6000，分別計(jì)算了負(fù)載功率因數(shù)角為0度、30度、60度、90度時(shí)死區(qū)寬度對(duì)基波及各次諧波的影響。死區(qū)寬度的單位為其相對(duì)于載波周期的百分比，計(jì)算出來(lái)的是波形的峰值。
從仿真結(jié)果可以得出一些結(jié)論：
1.在載頻一定的條件下，功率因數(shù)角為0、30、60度時(shí)基波的幅值會(huì)隨不對(duì)稱(chēng)死區(qū)的增大而減小，功率因數(shù)高時(shí)基波幅值減小速度較慢，反之較快。功率因數(shù)角為90度時(shí)基波的幅值會(huì)隨不對(duì)稱(chēng)死區(qū)的增大而增大。
2.在載頻一定的條件下，在各次諧波中，3次諧波幅值最大，功率因數(shù)角為0度時(shí)隨死區(qū)的增大而減小，功率因數(shù)角為30、60、90度時(shí)隨死區(qū)的增大而增大。
3.在載頻一定的條件下，9次諧波幅值隨死區(qū)的增大而減小，但是其絕對(duì)量很小。
4.在載頻一定的條件下，不對(duì)稱(chēng)設(shè)置的死區(qū)增大時(shí)，2、4、5、7、8次諧波的幅值會(huì)不同程度的增大，兩者隨死區(qū)變化的規(guī)律十分近似于增量線性關(guān)系。
5. 在載頻一定的條件下，3的偶次倍數(shù)諧波為零。
解決方案
可以采用電流補(bǔ)償法對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，即根據(jù)電流和電壓矢量的位置決定補(bǔ)償方案。死區(qū)期間橋臂中點(diǎn)的電位由電流方向決定，感性負(fù)載時(shí)，若輸出電流，則下橋臂二極管續(xù)流，電位為負(fù)。若上橋臂提前關(guān)斷而下橋臂準(zhǔn)時(shí)開(kāi)通，則輸出脈沖正電平少了一個(gè)死區(qū)寬度，負(fù)電平多了一個(gè)死區(qū)寬度，此時(shí)若能將正脈寬時(shí)間人為的加入一個(gè)死區(qū)寬度，則理論上可以完全克服死區(qū)的影響。但若為輸入電流，上橋臂提前關(guān)斷而下橋臂準(zhǔn)時(shí)開(kāi)通，死區(qū)期間續(xù)流的為上橋臂二極管，此時(shí)無(wú)需對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。由此可以總結(jié)出電壓矢量與電流矢量的配合的一般規(guī)律：若輸出電流，由0到1的跳變無(wú)需補(bǔ)償，由1到0的跳變要補(bǔ)償高電平；若輸入電流，由0到1的跳變要補(bǔ)償?shù)碗娖?，?span lang="EN-US">1到0的跳變無(wú)需補(bǔ)償。對(duì)脈寬的實(shí)時(shí)補(bǔ)償需要知道電壓矢量相對(duì)于T1矢量的夾角，以及電流矢量與電壓矢量夾角，根據(jù)電流、電壓矢量確定脈寬補(bǔ)償實(shí)時(shí)方案。
對(duì)于三相電路，可以將電流矢量的位置劃分為6個(gè)60度的區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)，應(yīng)補(bǔ)償?shù)娜嚯妷菏噶咳鐖D3所示。例如，若A相電流矢量位于-30度到30度的區(qū)間內(nèi)，A相電流為正，B、C相電流為負(fù)，A相需要對(duì)正脈寬補(bǔ)充一個(gè)死區(qū)寬度，B、C相需要對(duì)負(fù)脈寬補(bǔ)充一個(gè)死區(qū)寬度，即補(bǔ)充的電壓矢量為CBA=001，圖3列出了A相電流矢量位于6個(gè)區(qū)間時(shí)應(yīng)補(bǔ)償?shù)碾妷菏噶?，此時(shí)未考慮電壓矢量與電流矢量的配合問(wèn)題。
在TMS320LF2407中，補(bǔ)償脈寬可以通過(guò)修改CMPR1、CMPR2來(lái)實(shí)現(xiàn)。舉一例說(shuō)明。若電壓矢量位于45度而電流矢量位于15度，由圖3可知該載波周期應(yīng)補(bǔ)償?shù)碾妷菏噶繛?span lang="EN-US">001?？墒?span lang="EN-US">CMPR1=CMPR1+半個(gè)死區(qū)寬度，B相的負(fù)跳變滯后半個(gè)死區(qū)寬度，以補(bǔ)償B相一個(gè)死區(qū)寬度的負(fù)脈沖，可使CMPR2=CMPR2+半個(gè)死區(qū)寬度，以補(bǔ)償C相一個(gè)死區(qū)寬度的負(fù)脈沖。注意A相此時(shí)無(wú)需補(bǔ)償，因?yàn)樵诖穗妷菏噶康?span lang="EN-US">60度電壓區(qū)間內(nèi)，A相橋臂不會(huì)切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)，故無(wú)死區(qū)影響。這是SVPWM與SPWM的區(qū)別所在。補(bǔ)償時(shí)應(yīng)注意CMPR1CMPR2Tp這一約束條件，在電壓矢量接近6個(gè)非零矢量時(shí)要作折衷處理。
這種補(bǔ)償方案實(shí)際上是利用了二極管的續(xù)流作用，續(xù)流與橋臂開(kāi)關(guān)并不矛盾，可以同時(shí)進(jìn)行，但是必須在電感性負(fù)載下才能完成，有一定的局限性。這種方案可以在很大程度上減小死區(qū)的影響。圖4為實(shí)錄電流波形。