电机控制系列模块解析（13）—

一、逆变器死区非线性

逆变器死区非线性是指在逆变器的功率开关器件（如IGBT、MOSFET等）进行开关切换时，为了防止上下桥臂的开关器件同时导通而引发直通短路，通常会在开关器件的驱动信号中加入一段“死区时间”。在这段时间内，上下桥臂的开关器件都处于关断状态，以确保安全切换。然而，死区时间的存在引入了非线性效应，对逆变器输出电流、电压波形以及电机控制性能产生影响。以下是逆变器死区非线性的一些关键方面：

影响因素

死区时间长度：死区时间的长短直接影响非线性效应的程度。较长的死区时间可有效避免直通短路，但会加剧非线性影响；较短的死区时间则可减少非线性效应，但需谨慎控制以避免直通风险。
开关频率：高开关频率下，当死区时间固定时，死区时间占整个PWM周期的比例相对较大，非线性效应相对较强。但在低开关频率下，死区时间占比减小，非线性效应较弱。
电机参数：电机的电感、电阻等参数会影响电流变化速度，进而影响死区期间电流的波动。

非线性效应

电流畸变：死区期间，电机绕组电流不能通过开关器件续流，只能通过反并联二极管续流，导致电流波形出现缺口或尖峰，增加电流谐波。
电压波动：死区期间，由于电流变化引起电机绕组电压变化，叠加在原本的PWM电压波形上，造成输出电压波动。
力矩脉动：电流畸变和电压波动直接影响电机力矩输出，造成力矩脉动，影响电机平稳运行和负载动态响应。
效率下降：死区期间，电流通过反并联二极管续流，增加了功率损耗，导致逆变器效率降低。

补偿方法

死区时间补偿：根据电机电流变化特性、开关频率等因素，动态调整死区时间，特别是在低电流、高开关频率时适当减小死区时间，减小非线性效应。成本可能较高。
软件补偿：在控制算法中引入死区时间补偿项，通过预测死区期间电流变化趋势，提前调整下一个开关周期的占空比，以补偿死区引起的电流偏差。
硬件补偿：采用具有自适应死区时间控制功能的智能驱动器（已产品化和商用），或者在逆变器设计时采用交错并联、多电平拓扑等结构，自然减小死区影响。
谐波抑制：在逆变器输出端添加适当的滤波器，减少谐波电流对电机及电网的影响。

综上所述，逆变器死区非线性是由死区时间的存在导致的逆变器输出特性偏离理想状态的现象，主要表现为电流畸变、电压波动、力矩脉动和效率下降。通过合理设定死区时间、采用软件或硬件补偿技术以及配备谐波抑制措施，可以有效减轻逆变器死区非线性的影响，提高电机驱动系统性能。

上述图片参考文献如下：

K. D. Hoang and H. K. A. Aorith, "Online Control of IPMSM Drives for Traction Applications Considering Machine Parameter and Inverter Nonlinearities," inIEEE Transactions on Transportation Electrification, vol. 1, no. 4, pp. 312-325, Dec. 2015, doi: 10.1109/TTE.2015.2477469.

二、死区非线性的组成

逆变器死区非线性作为非线性因素的集合，主要包括以下几个方面：

死区时间：
- 定义：为防止上下桥臂开关器件同时导通而引起的直通短路现象，在开关器件的驱动信号中人为设置的一段无输出时间。
- 影响：死区时间的存在导致在每个PWM周期内有一段电流无法通过逆变器有效输出，造成电流波形的不连续，增加谐波成分。
开关状态传输延迟：
- 定义：从逆变器控制电路发出开关指令到开关器件实际完成状态切换（导通或关断）之间存在的响应时间。
- 影响：延迟导致开关状态切换的实际时间点与期望时间点不一致，影响PWM波形的精确控制，进一步加剧电流波形的非线性。
导通/关断延时：
- 定义：导通延时指开关器件从施加驱动信号到完全导通所需的时间，关断延时指从撤销驱动信号到完全关断所需的时间。
- 影响：延时时间的不一致或变化会影响PWM波形的上升沿和下降沿的陡峭程度，导致电流波形的非理想变化。
反并联二极管压降（Vd）：
- 定义：逆变器中每个开关器件通常会反并联一个快恢复二极管，以在死区期间或其他需要续流的情况下提供电流回路。二极管在导通时存在一定的正向压降（Vd）。
- 影响：二极管压降会降低逆变器输出电压的有效值，尤其是在电流较大的情况下，压降造成的电压损失不可忽视，导致电机侧电压低于预期，影响电机性能。
导通压降（Vce）：
- 定义：对于晶体管类开关器件（如IGBT），导通状态下集电极与发射极之间的压降称为Vce。
- 影响：Vce在一定程度上代表了开关器件自身的导通损耗，影响逆变器效率。此外，Vce随电流、温度等因素变化，可能导致输出电压波动，间接影响电流波形质量。
杂散电容：注意不同的功率开关管其杂散电容以及上述某些特性参数等也是可能不同的。

上述所有因素都可能随着电流、电压、温度、开关频率的变化而变化导致非线性的加剧。

综上所述，逆变器死区非线性包含了死区时间、开关状态传输延迟、导通/关断延时、反并联二极管压降以及导通压降、杂散电容等多种非线性因素。这些因素相互作用，共同构成了逆变器输出电流和电压的非线性特性，对电机控制系统的性能、效率和稳定性产生重要影响。在设计和优化逆变器系统时，需要综合考虑这些因素，采取相应的补偿措施来减小非线性效应。

上述和下述图片参考文献如下：

Hag-Wone Kim, Myung-Joong Youn, Kwan-Yuhl Cho and Hyun-Soo Kim, "Nonlinearity estimation and compensation of PWM VSI for PMSM under resistance and flux linkage uncertainty," inIEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 14, no. 4, pp. 589-601, July 2006, doi: 10.1109/TCST.2006.876622. Sa是开关状态，以下也可以用开关时间来描述时域方程。

Vdc是直流母线电压，Vce是IGBT或者MOSFET导通电压、Vd是反并联二极管导通电压，Vce0和Vd0是功率器件的阈值电压，rce和rd是功率设备的等效电阻（此处采用欧姆定律将导通压降进行了线性化，注意Ta为上图标识的时间，tdead是死区时间，t为开通时间，toff是关断时间）。

针对杂散电容等参数的影响，学术界近几年对逆变器非线性有更为精细的建模，待解析......

针对逆变器死区非线性，如果不进行有效处理，可能会带来以下一系列问题：

电流波形失真：
死区时间会导致电流波形在每个PWM周期内出现短暂的中断或“缺口”，增加电流谐波成分，降低电流质量。
电机力矩波动：
电流波形的不连续和非线性变化直接影响电机的电磁转矩输出，导致转矩脉动增大，影响电机的平稳运行和负载动态响应，特别是在要求高精度定位或高速运行的应用中。
效率降低：
在死区时间内，电流必须通过反并联二极管续流，增加了功率损耗。长期来看，这会降低逆变器和整个电机驱动系统的效率。
电机发热加剧：
高频的电流谐波会增加电机的铁损和铜损，导致电机温升增加，可能缩短电机绝缘材料的寿命，影响电机的长期可靠性。
电磁兼容性问题：
电流谐波会增加逆变器输出电流的高频成分，可能产生电磁干扰（EMI），影响其他电气设备的正常工作，甚至违反相关电磁兼容标准，增加系统设计和认证的难度。
控制精度下降：
死区非线性导致的实际电机状态与控制器设定值之间的偏差增大，降低了控制系统的稳定性和准确性，可能需要更大的控制带宽和更复杂的控制策略来维持系统性能。
电机振动和噪声增大：
电流波形失真和力矩波动会引起电机机械振动，增加噪音，降低设备运行的舒适性和用户体验。
过热与器件寿命缩减：
由于电流谐波和死区期间的额外损耗，逆变器功率器件（如IGBT、MOSFET等）更容易过热，可能导致器件老化加速，缩短其使用寿命。