机床电器２００６．１ 应用·交流——单相正弦脉冲调制（ＳＰＷＭ）逆变器死区效应研究 单相正弦脉冲调制（ＳＰＷＭ）逆变器死区效应研究 周百聪（四川机电职业技术学院。６１７０６４） 摘要：由于电子开关器件都存在一定的开通和关断时间。它们严重影响了用这些开关器件构成的具有直流母线 的桥式逆变器的安全运行，死区时间的设置就是为了克服这一严重问题而提出的解决办法。 关键词：ＳＰＷＭ；逆变器；死区时间 中图分类号：ＴＰ２７６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４一ｏ４２０（２００６）０１—００４４—０３ ０ 前言 基本相同。它是一种场控器件。其开通和关断是由栅 极和发射极的电压 决定，当 为正且大于开启电 任何固态的电子开关器件都有一定的固有的开通 压 ｈ】时。ＭＯＳＦＥＴ内形成沟道，并为晶体管提供基 和关断时间，在具有直流母线的桥式逆变器中，在一个 极电流进而使ＩＧＢＴ导通。由于前面提到的电导调制 管子没有完全关断以前另一管子已经开通，这样就相 效应，使得 减小。这样高耐压的ＩＧＢＴ也具有很小 当于两个管子同时导通而造成直流电压短路，这种情 的通态压降。当栅极和发射极间施加反向电压或不加 况称为同一桥臂的两个管子的开关控制时间没有严格 信号时。ＭＯＳＦＥＴ内的沟道消失，晶体管的基极电流被 互补。考虑到开关器件的开通和关断都需要一定时 切断。使得ＩＧＢＴ关断。 间，在一个开关器件完全关断进入截止状态以前，同一 ＩＧＢＴ的开通过程与电力ＭＯＳＦＥＴ的开通过程很 桥臂的另一个开关器件不能加上开通信号。也就是 相似，这是因为ＩＧＢＴ在开通过程中大部分时间是作为 说，从一个器件的关断信号发出（往往是下降沿）到同 ＭＯＳＦＥＴ来运行的。如图１ｅ）所示，从驱动电压 。 的 桥臂的另一个开关器件加上开通信号（往往是上升 前沿上升到其幅值的０。Ｉ的时候，到集电极电流上升 沿）必须保证有一段时间延迟，该延迟时间称为死区延 到其幅值的０．１的时候为止，这段时间称为开通延迟 迟或死区，常用ｔ 表示。 时间ｔ ）。开通时间 。 为开通延迟时间与电流上升 １ 死区时间的设置 时间之和。ＩＧＢＴ关断时，从驱动电压 。 的后沿下降 到其幅值的０．９的时刻起，到集电极电流从０．９１ 下 所有功率器件的开通和关断都需要一定的时间， 降至０．１， 的这段时间为电流下降时间。二者之和为 并且开通时间小于关断时间，下面以ＩＧＢＴ为例来说 关断时间ｔ。Ⅱ。 明管子的开通和关断的过程。 从以上分析可以看出，ＩＧＢＴ的关断时间要大于它 的导通时间，所以设置的死区时间ｔ ．应大于相应器件 ，ｃ 的关断时间￡。仃。 ｃ Ｇ ２ 带死区时间的单相逆变器驱动信号 Ｅ 的ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ实现 Ｅ ａ）简化等效电路 ｂ）电器图形符号 Ｃ）开关过程 在桥式逆变器中。同一桥臂２个开关管的驱动信 图ｌ ＩＧＢＴ的简化等效电路、电器图形符号和开关过程 号设置死区，也就是从一个开关器件的关断信号发出 （往往是下降沿）到同一桥臂另一个开关器件开通信 如图ｌ，ＩＧＢＴ是一个三端器件，具有栅极Ｇ、集电 号发出（往往是上升沿）加上一段时间延迟，即死区时 极Ｃ和发射极Ｅ。可以看出，这是由双极型晶体管与 间ｔ 。以三角波电压“ 为载波电压，正弦调制波为 ＭＯＳＦＥＴ组成的达林顿结构，相当于一个由ＭＯＳＦＥＴ “ 在“ 和“ 交点时刻来控制器件的通断。正弦调 驱动的厚基区ＰＮＰ晶体管。图中 为晶体管基区内 制波频率ｆｃ＝５００ Ｈｚ，三角载波频率． ＝５ ０００ Ｈｚ，载 的调制电阻。因此，ＩＧＢＴ的驱动原理与电力ＭＯＳＦＥＴ 波比Ｎ＝１０，在每个正弦波周期中共有ｌ０个周期的 ４４～ 应用·交流——单相正弦脉冲调制（ｓＰｗ￣１）逆变器死区效应研究 机床电器２００６．１ ＰＷＭ波。利用ＭＡＴＬＡＢ／ｓｌＭｔＪＬＩＮｋ实现的ＰＷＭ， ＰｗＭ 仿真波形如图２所示，ＰＷＭ，一ｐＷＭ 用来分别 控制图３中的４个功率开关ｓ，～ｓ 。 由图２可见，在设置了死区以后，向一桥臂的上下 两个开关管的驱动ＰＷＭ脉冲（如ＰＷＭ 利 Ｍ ）已 不再是严格的互补对称，中间存在一个时问间隔一死 区，从而避免了开关过程中直流电源直接短路事故的 发生。 ｒ——— ———Ｔ＿———ｒ———ｒ———Ｔ——— ——— ——— ——— —］ （ｓ·） ·肛 口口口．口 口ｌ＿且一Ｌ． Ｌ Ⅱ一目 ｒ———ｒ———Ｔ———］———— ———Ｔ———１————ｒ——— ———ｒ——］ （ｓ｜）Ｐｗ 由一且 －ｌ二且二Ⅱ 口 田口 口ｊ ｒ———ｒ———ｒ———Ｔ＿———ｒ——— ——— ———１。——— ——— ——］ （ｓｌ｛）Ｐｗ 。 口 口田：口皿上 Ｌ二＿ 口 ｒ———ｒ———ｒ———Ｔ＿———Ｔ＿———ｒ——— ———１。———１。——— ——］ （ｓ ｗ 口＿＿且～ｌ—Ｌ．Ⅱ田口：口口口』 ０ ０·２ ０．４ ０·６ ０．８ １ １·２ １·４ １·６ １·８ ２ Ｔｉｍｅ ｏｆｆｓｅｔ ０ ×１０～ 图２带死区设置的ＰＷＭ脉冲仿真波形图 ３ 单相逆变器全桥电路死区时间对输 出脉冲电压的影响分析 如图３所示的单相ＳＰＷＭ逆变器全桥电路，负载 ｚ 中包含，Ｊｃ滤波元件，由于存在电感元件，死区时间 的设置会使逆变器输出脉冲的宽度发生变化，分不同 情况讨论如下： Ｊ＿』＿ Ｊ Ｔ —Ｃ＝］＿——— ——Ｄ一。 图３单相ＳＰＷＭ逆变器全桥电路 ３．１ 逆变桥输出电压从０变到 ，开关时刻负载电 流ｉ。＞０ 逆变桥输出电压为０有两种开关状态：ｓ。、ｓ 同时 开通或Ｓ 、Ｓ 同时开通。 若开关以前是ｓ。、ｓ 同时开通，则需先关闭ｓ 再 开通Ｓ 。由于ｉ。＞０，开通Ｓ 之前，ｉ。经Ｓｌ、Ｄ 形成环 流，所以关闭ｓ 没有改变电路的状态；当ｓ 开通时， 负载上的电压从０变到 ，所以脉冲输出延时了一个 死区时间。 若开关以前是ｓ 、ｓ 同时开通，则需先关闭ｓ 再 开通Ｓ。。由于 ＞０，开通Ｓｌ之前， 。经Ｄ 、Ｓ 形成环 流，所以关闭ｓ 没有改变电路的状态；当ｓ．开通时， 负载上的电压从０变到 ，所以脉冲输出延时了一个 死区时间。 ２逆变桥输出电压从０变到Ｅ 开关时刻负载电 流 ＜０ 若开关以前是ｓ，、ｓ 同时开通…ｉ经Ｄ，、ｓ 形成环 流。关闭ｓ ，负载经Ｄ 续流，此时负载上的电压已为 开通ｓ 时不改变电路的状态，所以这种情况下输 出脉冲的时刻不会延迟。 若开关以前是ｓ，、ｓ 同时开通，ｉ。经ｓ 、Ｄ，形成环 流。关闭ｓ ，负载电流经Ｄ，续流，负载上的电压已为 Ｅ¨所以开通ｓ。不影响电路的状态，这种情况下输出 脉冲的时刻不会延迟。 ３．３逆变桥输出电压从０变到～Ｅ 开关时刻负载电 流 》０ 若开关以前是ｓ，、ｓ 同时开通，ｉ。经ｓ，、Ｄ 形成环 流。关闭Ｓ，，负载电流经Ｄ 续流，此时负载上的电压 已为一 ，开通ｓ 时不改变电路的状态，所以这种情 况下输出脉冲的时刻不会延迟。 若开关以前是ｓ 、ｓ 同时开通，ｉ 经ｓ 、Ｄ 形成环 流。关闭ｓ ，负载电流经Ｄ 续流，负载上的电压已为 Ｅ 所以开通ｓ。不影响电路的状态，这种情况下输 出脉冲的时刻不会延迟。 ３．４逆变桥输出电压从０变到一Ｅ 开关时刻负载电 流ｉ。＜０ 若开关以前是ｓ 、ｓ 同时开通，ｉ。经ｓ 、Ｄ，形成环 流，所以关闭Ｓ．没有改变电路的状态，当ｓ 开通时， Ｄ．被关闭，负载上的电压从０变到一Ｅ 所以脉冲输 出延时了一个死区时间。 若开关以前是ｓ 、Ｓ 同时开通…ｉ经Ｄ 、ｓ 形成环 流，所以关闭Ｓ 没有改变电路的状态，当ｓ 开通时， Ｄ 被关闭，负载上的电压从０变到一Ｅ ，所以脉冲输 出延时了一个死区时间。 ３．５逆变桥输出电压从 变到０，开关时刻负载电 流ｉ。＞０ 若开关以后使得ｓ。、ｓ 同时开通，则需先关闭ｓ 再 开通ｓ 。由于 。＞０，关闭ｓ 将导致ｓ 导通， 。经ｓｌ、Ｄ 形成环流，开通ｓ 没有改变电路的状态，当ｓ 开通时， 负载上的电压已为０，所以脉冲后沿不会延迟。 若开关以后使得ｓ 、ｓ 同时开通，则需先关闭ｓ。 再开通ｓ 。由于ｉ。＞０，ｉ。经Ｄ 、ｓ 形成环流，所以关 闭ｓ 没有改变电路的状态，当ｓ 开通时，负载上的电 压已为０，所以脉冲后沿不会延迟。 ３．６逆变桥输出电压从 变到０，开关时刻负载电 流 ．．＜０ 若开关以后使得ｓ。、ｓ 同时开通，则需先关闭ｓ ４５— 机床电器２００６．１ 应用·交流——单相正弦脉冲调制（ＳＰＷＭ）逆变器死区效应研究 再开通Ｓ 。当ｉ。＜０时，关闭Ｓ 之前，ｉ。流经Ｄ３，所以 从以上分析可看出，因为死区时间的设置，使得逆 关闭Ｓ 没有改变电路的状态，当Ｓ 开通时，Ｄ，受反压 变器实际输出电压和理想输出电压之间产生了一个误 而被关闭，此时电流 。经Ｓ 、Ｄ。形成环流，逆变桥输出 差电压“ ，由于二极管的续流作用，这个误差电压只 为０，所以脉冲后沿延时了一个死区时间。 与负载的电流有关系，即与流过负载的电流相位相反， 若开关以后使得Ｓ 、Ｓ 同时开通，则需先关闭Ｓ。 并且每个ＰＷＭ周期内只有一个脉冲延迟。也就是 再开通Ｓ 。当 ＜０时，关闭Ｓ 之前，ｉ 流经Ｄ。，所以 说，由于死区作用造成的误差电压有以下几个特征： 关闭Ｓ．没有改变电路的状态，当Ｓ 开通时，Ｄ。受反压 ａ．在每个开关周期内均有一个误差电压脉冲； 而被关闭，此时电流 经Ｓ 、Ｄ 形成环流，逆变桥输出 ｂ．每个脉冲的幅值均为Ｅ ； 为０，所以脉冲后沿延时了一个死区时间。 ｃ．每个脉冲的宽度均为ｔ ３．７逆变桥输出电压从一 变到０，开关时刻负载电 ｄ．每个脉冲的极性均与负载电流 的极性相反。 流ｉ ＞０ 如图４为逆变器输出电压“ 电流 与误差脉冲 若开关以后使得ｓ。、ｓ 同时开通，则需先关闭ｓ４ 电压“ 脉冲波形图，从图中可清楚地看出输出电压电 再开通Ｓ．。当 。＞０时，关闭Ｓ 之前， 。流经Ｄ ，所以 流和误差电压脉冲的相位关系。 关闭Ｓ 没有改变电路的状态，当Ｓ。开通时，Ｄ 受反压 而被关闭，此时电流ｉ。经Ｓ。、Ｄ 形成环流，逆变桥输出 为０，所以脉冲后沿延时了一个死区时间。 ／７ Ｉ 。Ｉ ¨ｊ１Ｉ ／ ｌ＼ Ｈ。 若开关以后使得Ｓ 、Ｓ 同时开通，则需先关闭Ｓ 再开通Ｓ 。当 ＞０时，关闭Ｓ 之前，ｉ。流经Ｄ：，所以 ＼０ ７ 关闭Ｓ 没有改变电路的状态，当Ｓ，开通时，Ｄ 受反压 Ｉ ｆ ＼＼ ｛＼、 ／ ｌ Ｊ 一 而被关闭，此时电流ｉ。经Ｓ 、Ｄ 形成环流，逆变桥输出 图４ 逆变器输出电压电流与误差电压脉冲波形图 为０，所以脉冲后沿延时了一个死区时间。 ３．８逆变桥输出电压从一 变到０，开关时刻负载电 参考文献： 流ｉ ＜０ ［１］ 陈坚．电力电子学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，１９９９． 若开关以后使得Ｓ 、Ｓ 同时开通，则需先关闭Ｓ ［２］ 王艳秋，等．ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ变频调速器ＰＷＭ技术的比较 研究与发展［Ｊ］．变频器世界，２００１，（１１）． 再开通Ｓ 。当ｉ。＜０时，关闭Ｓ 将迫使Ｄ。导通，此时 ［３］ 陈道炼．ＤＣ—ＡＣ逆变技术及其应用［Ｍ］．北京：机械工 电流ｉ。经Ｓ 、Ｄ。形成环流，再打开Ｓ。已不对电路状态 业出版社，２００３． 产生影响，所以脉冲后沿不会延迟。 ［４］ 陈国呈．ＰＷＭ变频调速及软开关电力变换技术［Ｍ］．北 若开关以后使得Ｓ 、Ｓ 同时开通，则需先关闭Ｓ 京：机械工业出版社，２００１． 再开通ｓ 。当ｉ．．＜０时，关闭ｓ 将迫使Ｄ 导通，此时 ［５］ 曹立伟，等．ＳＰＷＭ谐波分析的一般方法［Ｊ］．电力电子 电流 。经ｓ 、Ｄ，形成环流，逆变桥输出为０，再打开ｓ 技术．２００２，３６（４）：６２—６５． 已不对电路状态产生影响，所以脉冲后沿不会延迟。 收稿日期：２００５—０８—０５ 西门子推出能够检测各种故障电流的断路器 西门子自动化与驱动集团推出的全新剩余电流断路器，其应用领域包括医疗设备、机床、充电设备、测试系统以 及实验室设备等。这种Ｂ型剩余电流断路器为通用电流敏感型断路器，适用于安装在会出现直流平滑故障电流、交 流故障电流和脉动故障电流的设备中，性能优于Ａ型剩余电流断路器。 直流平滑故障电流一般出现在操作起重机、机器控制器、升降机系统以及诸如ＣＴ等医疗设备中的变频器中。 这些应用的脱扣条件必须保证不能超过２ ｋＨｚ。对于额定故障电流为３０ ｍＡ的断路器，其脱扣范围明显低于极限值， 可防止危险的心室纤维型颤动。 在检测、分析和关机时，这种断路器的运行与输入电压无关，符合标准ＶＤＥ０６６４ Ｐａｒｔｌ００，以及Ａ型要求。只是 检测直流平滑故障电流时才需要施加一个电压。适用于所有５０ Ｖ以上的电流电缆，可提供最大的安全性能。即使 仅有一根导线带电，并出现故障电流，也可通过与输入电压无关的脉动电流敏感型设备的脱扣功能来实现保护。 这种断路器根据额定故障电流细分为３０ ｍＡ、３００ ｍＡ和５００ ｍＡ型，从而适用于各种保护性能等级。另外，在 各种设备中，它还可以再串联断路器。 ４６．．．．——