如何优化PWM输出的非理想因素？

之前章节描述的空间矢量PWM和载波比较PWM都是理想状态下的脉宽调制，即数字脉冲可以直接转换为同比例的功率脉冲。实际上，数字脉冲和功率脉冲存在物理上的质的不同。由于电力电子变换器中存在大量的等效无源参数，功率变换必然存在过渡过程，各种延时和畸变都会明显高于数字脉冲。而且为了安全考虑，在功率脉冲中必须预留比数字脉冲更多的安全裕量，这也是功率脉冲与数字脉冲不同的地方。因此在应用中需要考虑PWM中的非理想因素。

以最通用的电压型电力电子变换器为例，图2-20a是一个典型的开关单元，包括正向可控开关和反并联的二极管。由两个开关单元组成图2-20b的桥臂。此时，上下开关管信号侧的数字脉冲通过门极驱动加载到器件上，最终输出电压脉冲V_a。由于器件本身的动静态过程以及人为控制安全裕量等，输出V_a并不是线性放大的信号脉冲，即非理想特性对其产生了影响。

图2-20 电压型电力电子变换器中的开关和桥臂

a）开关 b）桥臂

本节从两大方面介绍这些非理想因素的影响及改善策略：第一类是由于电力电子变换器本身的物理特性带来的影响；第二类是为了安全裕量而人为增加的影响。

首先考虑的是由于变换器本身物理性质带来的影响。在电力电子变换器中，电力电子器件都不是理想的开关器件，既有静态的非理想特性，比如导通压降和阻断漏电流等，也有动态的非理想特性，比如器件的开关延时和反向恢复特性等。另外，系统中传输路径的寄生参数也会加剧这些非理想特性对功率脉冲的影响。

电力电子器件的静态特性主要是开关器件的导通压降和阻断漏电流等。图2-20a中的开关单元，正向导通时电流主要通过开关管，而反向导通时，电流主要通过反并联二极管。正向导通的开关器件主要有IGBT和MOSFET两种。一个典型的IGBT的导通特性如图2-21a所示，在门极电压足够的情况下，IGBT的导通特性近似等效为一个固定电源叠加一个电阻的特性；MOSFET的导通原理有所不同，主要是通过沟道进行导通的，其导通特性等效于一个电阻。不同温度下MOSFET的导通电阻随电流变化的典型曲线如图2-21b所示。计算正向导通压降的时候，因为器件的不同，计算方法也会有所不同。而反向导通特性则直接由二极管的特性决定。一个典型的二极管的导通特性如图2-22所示。它等效于一个固定电源和一个电阻的串联，与IGBT类似。当电流反向流过开关时，需要通过二极管的特性计算相应的压降。

由于存在正向和反向导通压降，输出的电压脉冲实际上是正负直流母线电压加上或减去开关压降之后得到的。而这个压降还和负载电流有关系，不是一个固定值。由于这部分压降的存在，输出电压与需要输出的参考电压有一个差别，会引起电压和电流的误差。为了补偿这个误差，在控制参考电压的时候，需要人为增加一部分电压来补偿。这样，真正发出的PWM电压才能等效于原始参考电压。

图2-21 典型主动开关器件的导通特性[6，7]

a）IGBT b）MOSFET

图2-22 典型的二极管导通特性[8]

除了静态误差，另一个电力电子器件带来的非理想因素是动态的，主要指的是器件的开关过程。与数字电路里的方波脉冲相比，电力电子器件的开关时间要慢很多，并且伴随载流子复合过程带来的反向恢复特性等，使电压和电流的脉冲波形与数字脉冲有所不同。(www.xing528.com)

开关器件中，在数字脉冲的驱动下，第一级延时发生在门极驱动上，即由于门极电容和门极驱动电路等带来第一级延时。之后，电力电子器件本身的开关过程带来第二级延时。以IGBT为例，其开关过程一般在几百纳秒内完成，对应的延时影响也是这个时间量级。那么输出的电压实际上不是方波脉冲序列，而是梯形波序列，梯形两腰的斜率由开关速度决定。最近十几年发展起来的碳化硅（SiC）电力电子器件能大大缩短其开关时间，将换流时间降为百纳秒以内，等效于将梯形脉冲的腰的斜率增加，更逼近方波脉冲了。

第二类影响是由于变流器的安全裕量而人为增加的影响。具体而言，主要是指死区和最小脉宽的影响。

对于图2-20b所示的桥臂，理想情况下，上管门极驱动信号G_ap与下管门极驱动信号G_an应该是互反的信号，从而实现输出电压变成由占空比决定的脉冲电压。但是由于器件开通和关断的过程，会在开关瞬间出现两管同时开通，即直流母线直通的情况。因此需要设置一定的死区时间，以保证在死区时间内一管的门极信号已经关断但是另一管的门极信号尚未开通。类似于十字路口交通灯，一条线路绿灯变红的时候，另一条线路的红灯还要维持一段时间再变绿，以保证安全裕度。一般而言，死区就是将原先低电平逻辑的信号开通时间延迟一个死区时间T_d。对于电力电子变换器，死区时间与开关时间相关，一般至少要保证死区时间长于器件开通加关断的时间。

由于死区的存在，电力电子变换器的输出功率脉冲将与PWM信号脉冲有所不同，并且还与电流方向有关。图2-23所示为带死区的PWM条件下输出电压和电流的关系。图2-23a所示是电流正向流出桥臂的情形。和理想状态下输出电压V_AN和G_ap一致相比，当存在死区时G_ap和G_an的上升沿都延迟了T_d。在死区中，上下两开关管的门极电平都为低电平，因此两个开关管都处于关断状态。但是由于输出电流不能断流，电流将通过二极管续流。由于电流流向是从桥臂向外，因此输出端会通过下桥臂的二极管续流，从而使输出端被钳位在负直流母线。与门极驱动信号G_ap相比，输出电压脉冲等效于占空比减小了T_d/T_s。而如果电流方向是由负载流入桥臂，如图2-23b所示，情况就相反。虽然门极驱动信号与图2-23a一致，但是在死区时间内，电流将通过上桥臂的二极管续流，从而输出端被钳位在正直流母线。与门极驱动信号G_ap相比，输出电压脉冲等效于占空比增加了T_d/T_s。两种情况下，输出的电压都将与控制器的参考电压有不同，只是由于电流方向，半周期内输出实际电压比参考电压更小，另一半周期内实际电压比参考电压更大。因此，含死区的输出电压对应的等效参考波和原来的理想参考信号会存在差异，引起对应的变化。

根据这个原理，图2-24以SPWM为例比较了理想条件下参考波与含死区的等效参考波的波形，比较中认为变换器处于单位功率因数，即电流与电压同相位。可以看出，正半周含死区的参考波低于理想参考波，而负半周高于理想参考波。在过零电压附近等效钳位为零。对这两个波形做FFT分析，如图2-25所示。其中由图2-25a的整体结果中可以看出，基波分量上，由于死区的影响，含死区的等效调制波幅值较理想参考波有所下降。然而不止如此，由于参考信号的变化，含死区的等效调制波还会带来明显的以三次谐波为主的低次谐波分量，如图2-25b所示。因此，死区带来的问题是比较严重的，必须予以应对，否则对输出电压利用率和质量都会产生影响。

图2-23 带死区情况下输出电压与门极信号的关系

a）电流正向流出桥臂 b）电流反向流入桥臂

图2-24 理想调制函数与含死区的等效调制波比较

另一个需要注意的问题是最小脉宽。当输出占空比较小时，器件开通关断时间挤压脉冲宽度，使脉宽减小。而死区的存在更进一步加剧了脉宽的减小。最终数学上可以使脉宽变为负数。但是物理上不存在负占空比的脉冲，因此对最小脉宽也有一定的限制。当脉宽低于一定值时，须限制脉宽为最小值。这样也会对原始参考信号带来畸变的效果，在应用中需要做补偿。

图2-25 理想参考波与含死区的等效参考波频域比较

a）整体 b）三次谐波