死区时间对三相SPWM逆变器输出电压低次谐波影响的分析

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【摘 要】本文简单介绍了三相SPWM逆变器的工作原理及控制方法，重点对三相SPWM逆变器产生的低次谐波进行分析，并通过Matlab/Simulink仿真分析不同死区时间对三相spwm逆变器输出电压低次谐波的影响。

【关键词】死区时间；SPWM；逆变器；matlab仿真

Analysis of dead band time on the influence of three-phase SPWM inverter output voltage low harmonic

GONG Rui-chun SHEN Zhang

（Faculty of Information Science and Technology，Baotou Teachers College.Baotou Inner Mongolia 014031，China）

【Abstract】This article simply introduced the working principle and control methods of three phase SPWM inverter， focused on the analysis of low harmonics in three phase SPWM inverter， and further analyzed the effects of the low harmonic caused by three-phase SPWM inverter in different dead band time through the Matlab/Simulink simulation.

【Key words】Dead band time；SPWM；Inverter； Matlab simulation

1 SPWM技术及三相SPWM逆变器基本原理简介

SPWM（Sinusoidal PWM），即正弦脉冲宽度调制技术， 其控制的理论基础是面积等效原理，即用等幅不等宽的矩形脉冲等效代替正弦波，使其面积相等，这样便可得到一串脉冲高度不变、但宽度按正弦规律变化的脉冲序列，称为SPWM波形。

三相SPWM逆变器把希望输出的频率相同，相位互差120°的正弦波作为调制信号，运用公共等腰三角波作为载波，在每相交点时刻控制开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号幅值的脉冲。

2 三相SPWM逆变电路的 MATLAB 仿真

2.1 三相SPWM逆变器的MATLAB/SIMULINK仿真模型图

图1为三相桥式SPWM逆变器的仿真模型图，图中Ud为直流侧电源，载波信号由周期为7500Hz的三角波构成，信号波由周期为500Hz，相位互差120°的正弦波构成。逆变器主电路通过六个IGBT/Diode开关构成，由SPWM PULSE提供驱动信号，最终通过电压测量模块测出U、V、W相的电压。

图1 三相SPWM逆变器的仿真模型图

2.2 理想状态下三相SPWM逆变器的频谱分析

理想状态下三相SPWM桥式逆变器的频谱如图2所示，Fundamental（500）=45，THD=79.68%，从这图中可以看出，理想情况下，逆变器输出电压几乎不含低次谐波分量。

3 死区时间对三相SPWM逆变器低次谐波的影响

在逆变器输出中，为了防止同一相的上下两个桥臂直通，需加入几微秒的死区时间。虽然死区时间很短，单个脉冲不足以影响系统性能，但连续一个周期的死区效应积累却会使输出电压含有很大谐波分量，电流波形发生畸变。

对于逆变电路来说，注入死区时间的方式采用双边对称方式设置，使欲关断的功率管比理想波形提前Td/2关断，欲开通的功率管比理想波形延迟Td/2开通。

3.1 死区时间对输出谐波的影响

对理想的SPWM逆变器来说，其输出电压中几乎不存在低次谐波，只有与载波比有关的谐波，但由于死区的存在，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，带来一系列的谐波电压分量，低次谐波的幅值会随死区时间的增加而增加，这些将引起输出电压波形发生较大的畸变。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。

将线电压UUV展开成傅里叶级数得：

UUV=（sinωt-sin5ωt-sin7ωt+sin11ωt+sin13ωt-…）

由上式可以看出，在三相SPWM桥式逆变电路中不存在3次谐波，以及3的整数倍次谐波。

3.2 不同死区时间的MATLAB/SIMULINK仿真

在生成SPWM驱动信号模块中设定死区时间，实现不同死区时间下的不同输出电压频谱，其死区时间为3us时频谱（下转第216页）（上接第22页）图如图4所示。

图3 死区时间为3us时的输出电压频谱图

改变死区时间仿真分析，可总结如表1所示。

由表1可知，随着死区时间的增加，各低次谐波含量总体逐渐增大，总谐波畸变率逐渐增高。

4 结论

通过MATLAB/SIMULINK仿真可知，在理想状态下，三相SPWM逆变器的输出电压不含低次谐波，仅含有与载波相关的高次谐波；加入死区时间后，逆变器的输出电压中会增加奇次的低次谐波，这些低次谐波含量会随着死区时间的增加而增大，输出电压基波幅值减小，总谐波畸变率增高，并且不含有3次及3的整数倍的低次谐波。

【参考文献】

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].5版.北京：机械工业出版社，2009.

[2]巩瑞春，刘晓虹.单相SPWM逆变器输出电压频谱分析研究[J].阴山学刊，2012，3.

[3]巩瑞春，刘晓虹.三相SPWM逆变器输出电压频谱分析研究[J].硅谷，2012，10（上）.