西南交大新研究：破解高开关频率伺服逆变器的死区非线性难题

在伺服系统中应用高开关频率器件，能显著提升系统的电流环带宽，让伺服驱动的性能更优，这也是行业技术发展的重要方向，但随之而来的快速开关和高频调制问题，却一直缺乏有效的解决思路。其中最突出的，就是电压源逆变器的死区非线性效应带来的电流谐波畸变问题，而且这种效应会随着开关频率的升高而加剧，成为了伺服系统高频化发展的一大阻碍。

为了避免逆变器桥臂直通，实际应用中会在脉冲宽度调制信号里加入死区时间，再加上开关器件本身存在的开关延时、寄生电容等非理想特性，二者共同构成了逆变器的死区非线性效应。这一效应会让逆变器的实际输出和理想输出产生偏差，最终导致输出电流的波形发生畸变，影响伺服系统的正常工作。

更关键的是，高开关频率对应着更短的环路计算时间，这就要求死区非线性的补偿策略足够简单，能节省计算时间和资源，简单且精准的补偿方法，也因此成为改善伺服系统输出电流质量的关键。

目前学界针对这一问题的研究主要分为死区非线性补偿和死区消除两类，不过这两种方法都存在明显的局限性。死区补偿类方法大多存在短板，要么需要增加额外硬件电路，让逆变器结构变复杂、成本上升；要么只能补偿周期性的电压误差，补偿效果有限；还有的方法求解过程复杂，在高频应用中会占用大量控制器计算资源。

此外，先加入死区时间再补偿的方式，会在高开关频率下显著缩小线性调制区，属于 “先污染后治理”，难免引入补偿误差。而死区消除类方法，主要是基于反并联二极管的续流作用屏蔽无效驱动信号，却普遍没有考虑器件非理想特性造成的非线性误差电压，应用场景也因此受到限制。

针对现有方法的不足，西南交通大学物理科学与技术学院的周国祥、王邦继等研究者，提出了无死区双调制波脉冲宽度调制和逆变器非线性补偿相结合的全新策略。

该策略先利用反并联二极管的续流特性，在互补驱动脉冲之间加入驱动空缺区，从根源上避免死区时间的引入；再通过向直轴注入斜坡电流获取逆变器非线性对应的误差电压，借助线性迭代插值法求解误差电压与电流幅值的关系，实现误差电压的在线补偿。同时研究团队还分析了该策略与传统补偿法在解除占空比限制上的区别，明确了新策略的技术优势。

图 实验平台

为验证策略的有效性，研究团队开展了仿真和实验，结果显示，这套组合策略能有效增加逆变器输出电压的线性调制区，消除死区时间带来的输出占空比限制，对高开关频率下由死区非线性效应导致的电流谐波畸变也能起到良好的抑制作用。

而且该策略的实现难度低，无需额外的控制环路计算，或将适用于更高开关频率的伺服驱动控制系统。研究还发现，在高频应用场景中，逆变器的死区非线性效应主要由死区时间引起，器件非理想特性的影响相对较小，这也为后续相关研究提供了重要的参考方向。

本工作成果发表在2025年第8期《电工技术学报》，论文标题为“高频伺服系统逆变器死区非线性补偿策略”。