死区补偿

1 引言

目前，小功率通用或专用变频器以及交流变频家电产品大多采用典型的交-直-交电压型逆变器(vsi)结构，逆变实现一般采用双极性pwm调制技术，即在同一逆变桥臂上、下2个开关管施加互补的触发信号。由于开关管自身的特性:开通和关断都需要一定的时间，且关断时间比开通时间要长。因此，若按照理想的触发信号控制开关管的开通和关断，就可能导致同一桥臂的2个开关管直通而损坏开关器件。为了防止这种直通现象的发生，必须在它们开通和关断之间插入一定延时的时间，这个延时时间就称为死区。死区时间内2个开关管都处于关断状态，负载电流通过反并联二极管续流，负载电压不受开关管控制，由此造成负载电压波形发生畸变，逆变器的平均输出电压降低，并产生与死区时间以及调制比成正比的3，5，7，…次谐波分量，进而影响到电动机的输入电流和运行质量。当逆变器工作在低输出频率、开关频率较高和负载感性很弱时这种影响相当严重[1,2]。为此，需要对死区的影响进行补偿，以提高变频器的输出性能和改善电动机的运行工况。常用的补偿方法有电流反馈型和电压反馈型，也有单边补偿与双边补偿、纯硬件补偿与硬件软件结合补偿等具体手段，但其工作原理相似，都是产生一个与死区引起的误差波形反向的波形，以抵消死区的作用[3,10]。motorola公司推出的电动机专用控制芯片mr16内部集成了专门的死区补偿硬件电路，只需要简单的外围电流极性检测和简单的软件编程就可以实现可靠的死区补偿[11]。

2 死区补偿原理分析

2.1死区对输出电压的影响

在理想情况下，功率开关管开通和关断都是瞬时完成，不存在开通和关断时间，因而也就不存在死区时间。但实际情况是功率开关管并非理想开关，而且关断时间比开通时间

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要长。为了使功率开关管工作安全，在其开通之前插入死区td，即让该桥臂的2个开关管在td时间内都处于关断状态。由于死区时间td的存在，使得功率开关管的导通时间缩短，引起pwm脉冲宽度和电位的丢失，进而影响到逆变器输出的平均电压。

图1 死区对输出电压影响示意图

下面以三相逆变桥中的一相为例，分析死区对输出电压的影响。不妨设电流正方向如图1中箭头方向所示，假设当前死区发生时，电流方向为正，这时igbt1和igbt2都没有驱动信号，处于关断状态，驱动信号如图1中的(2)和(4)。由于当前电流方向为正，所以感性负载通过下桥臂的续流二极管d2续流，因此将输出电压箝制在-udc/2电位上，输出电压波形如图1中的(6)所示。也就是说在死区期间，输出电压多出一个td宽度的负电位。实际输出电压与理想输出电压相比，正电压的脉冲宽度减小，输出电压小于期望值，如图1中的(6)和(5)所示。当电流为负方向时，感性负载通过上端的二极管d1进行续流，这时负电压脉宽减小，输出电压大于期望值，这里不给出示意图。这样，逆变器的实际输出电压的波形与理想波形比较就发生了畸变。图1中的(1)、(3)和(5)分别为理想情况下的上管驱动信号、下管驱动信号和输出电压，(2)、(4)和(6)分别为实际情况下的上管驱动信号、

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下管驱动信号和输出电压。

图2 死区期间电压误差等效原理

在pwm控制方式下，每个pwm周期都要插入一个td宽度的死区，通过上面的分析可以得出:当电流为正方向时，输出电压正脉宽变窄，输出电压值比期望值低;当电流为负方向时，输出电压负脉宽变窄，输出电压值比期望值高。即电流为正时，等效于多出若干负电压脉冲，电流为负时，等效于多出若干正电压脉冲，其等效结果如图2所示。可见死区对输出电压的影响和输出电流的方向有着直接的关系。

2.2 mr16的死区补偿机理

由死区对输出电压影响的分析，可以知道:对于某一相逆变桥，根据电流的不同极性，在每个开关周期输出电位的丢失情况是确定的。也就是说，对于某一电流方向，同一桥臂上只有一个开关管控制输出电压，而另一开关管即便驱动导通也只是通过其续流二极管续流。因此，只要能够准确判断输出相电流的方向，增加或减小控制输出电压的相应开关管的开通时间，即可弥补死区造成的电位的丢失。在微控制器mr16中，死区补偿的具体做法是:某相电流为正时，上桥臂开关管控制输出电压，正电位丢失，由软件计算增加上桥臂占空比控制寄存器的pvalx的值，延长上桥臂开关管的导通时间，与其互补的下桥臂开关管的开通时间相应缩段，使平均输出的电压增大;反之，当某相电流方向为负时，下桥臂开

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关管控制输出电压，负电位丢失，这时应当增加相应桥臂的下管的开通时间，即增加控制下管开通的占空比寄存器pvalx的值，相应地，上管导通时间缩短，减小平均输出电压。每个开关周期补偿的脉冲宽度，取决于pwm的对准方式，对于边沿对准方式，每次补偿值等于死区的宽度，对于中心对准方式，每次补偿值只是死区时间的一半。在mr16中进行死区补偿的关键是正确判断对输出电压起控制作用的开关管，以便选择相应的用于下一开关周期控制输出电压的占空比寄存器pvalx，它决定着是正补偿还是负补偿。

mr16中为了能够正确选择pvalx寄存器，专门预留了3个复用引脚，，进行电流极性检测，可以根据上述3个引脚的状态来正确选择pvax寄存器。或者根据pwm控制寄存器pctl2中的ipol1，ipol2，ipol3位的状态来选择pvalx寄存器，其中前者用于自动电流检测补偿，后者用于手动电流检测补偿。为了实现的方便性，一般采用死区开始时自动电流检测补偿方式。在这种补偿工作方式下，相电流的方向由3个复用引脚的状态得到。，，的逻辑状态与当前输出电压控制寄存器之间的对应关系如附表所示。

3 基于mr16 的死区补偿实现

3.1 电流极性检测

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图3 u相电流极性检测电路

死区补偿的关键是能够正确检测逆变器输出电流的极性，而电流极性的检测需要通过硬件电路来实现。在具体硬件实现时，需要对逆变器三相输出电流的极性进行判断，若电流的极性如规定的正方向相同，则在mr16相应引脚输入“0”电平，若电流的极性如规定的正方向相反，则在mr16相应的引脚输入“1”电平。下面以u相为例，给出在变频器中设计的电流极性检测电路示意图，如图3所示。图3中，iu为逆变器u相输出电流。电流极性检测电路工作原理是:首先iu经r1得到的交流电压信号通过低通滤波器滤除高次谐波，然后信号通过高通滤波器，一方面滤除直流成分，另一方面补偿由于低通滤波造成的信号相位滞后，接着将所得到的信号与零点比较,输出占空比为50%的方波信号，最后将方波信号经过线性隔离快速光耦输入微控制器的引脚。逆变器另外两相的电流极性检测与u相完全相同，这里不予介绍。

3.2 死区补偿的软件实现

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图4 电动机输入电流(补偿前8hz)

图5 电动机输入电流(补偿后8hz)

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图6 电动机输入电流(补偿前14hz)

图7 电动机输入电流(补偿后14hz)

由于微控制器mr16内部集成了死区补偿电路，所以只需将电流极性检测的结果输入到mr16相应的引脚，然后设置与死区补偿相关的寄存器内容，就可以进行死区补偿。此外，mr16只有工作在互补触发方式下才具有这种死区补偿功能，所以在实际实现时采用了pwm互补触发模式下的中心对准方式，死区时自动检测补偿方案。具体实现是:在能够准确检测电流极性的基础上，由于是通过引脚，，来检测电流极性，所以pwm控制寄存器pct1中的位isen1和isen0应设置为1和0。当死区开始时(即上下开关管都处于关断状态)，

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电流极性被锁存，在下一个pwm周期开始，用锁存的电流极性来判断是上管还是下管控制输出电压，从而进行正确补偿。

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