硬开关和软开关三相PWM逆变器中偏差电压引起的波形畸变及校正策略比较
作者：明正峰,钟彦儒
摘 要：传统的硬开关PWM逆变器中，开关死区时间的设置在逆变器的输出端产生偏差电压，该偏差电压引起输出电压和电流一定程度的畸变；而在谐振直流环节软开关逆变器中，直流环节上的零电压凹槽也在逆变器的输出端产生偏差电压及输出波形畸变；该文的目的在于通过图解和理论分析的方法对这两种影响进行详细的比较和描述，并得出重要结论：硬开关逆变器中产生的偏差电压与输出电流方向有关而软开关逆变器中产生的偏差电压与输出电流无关，使得其输出波形畸变原理和校正策略完全不同；最后在规格完全相同的硬开关和软开关电路中实验验证了相关结论的正确性。
关键词：软开关；PWM逆变器；偏差电压

1 引言
传统的三相PWM电压源逆变器中，为了防止逆变桥臂的直通短路，通常在功率器件的开关信号中，设置一个功率开关的延迟开通（死区）时间td。虽然td非常短，但在高开关频率或较低输出频率下，会引起逆变器的输出电压和给定电压之间的偏差，从而导致逆变器的输出电流产生误差、引起输出电流的谐波以及输出电压的利用率下降【1,2】等问题的发生。关于td的设置对逆变器输出电压和电流影响的研究，国内外对此做了大量的工作【3】。
在直流母线零电压过渡电压源三相软开关PWM逆变器（DC-Rail ZVT VSI）中，主功率器件需要进行状态切换时，由附加在直流母线上的谐振环节工作，在直流母线上产生一个零电压凹槽，为主功率器件的状态切换提供零电压过渡条件。这样，主功率器件的开关损耗能被减小到最小值，还能大大缩小传统硬开关逆变器中产生的EMI。功率器件可以工作在很高的开关频率下，功率器件的动态性能能够得到很大的改善。当然，此时逆变单元的非线性因素（主要由直流母线零电压凹槽产生）也就不同于传统的硬开关三相PWM逆变器电路。目前关于这个问题的研究还没有相关的文献出现，它将是本文研究的重点。
从这个角度出发，本文首先对传统硬开关三相PWM逆变器中由于死区时间设置引起的逆变器输出波形畸变和校正方法进行概述，然后用对比的方法对直流母线零电压过渡电压源三相软开关PWM逆变器中由于直流母线零电压凹槽引起的逆变器输出波形的畸变做一详细的分析和比较，并得出不同的校正策略。最后用实验结果验证了相关的结论。
2 传统硬开关和直流母线零电压过渡PWM逆变器输出波形畸变的分析比较
2.1 传统硬开关PWM逆变器输出波形畸变的原理
传统硬开关PWM逆变器中，在人为设置的死区时间里，逆变桥臂上、下两个功率开关都处于断开状态，其中点输出电压（假定为Va）为不确定方向，取决于该桥臂上的输出电流（假定为ia）方向，该电流为感性负载的续流电流，流过功率器件上的反并联二极管。图1给出了这时候的电路工作原理图及相关的工作波形，包括理想状况下的PWM给定波形Vao、逆变桥实际输出的PWM波形Va、及它们之间形成的偏差电压Vdev等【1~3】。