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什么是PWM“死区”？

电力电子技术与新能源 2022-04-14 09:00
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PWM是脉宽调制，在电力电子中，最常用的就是整流和逆变。这就需要用到整流桥和逆变桥。对三相电来说，就需要三个桥臂。


以两电平为例，每个桥臂上有两个电力电子器件，比如IGBT。这两个IGBT不能同时导通，否则就会出现短路的情况。


因此，设计带死区的PWM波可以防止上下两个器件同时导通。也就是说，当一个器件导通后关闭，再经过一段死区，这时才能让另一个导通。



01 



什么是死区？




通常，大功率电机、变频器等，末端都是由大功率管、IGBT等元件组成的H桥或3相桥。

每个桥的上半桥和下半桥是是绝对不能同时导通的，但高速的PWM驱动信号在达到功率元件的控制极时，往往会由于各种各样的原因产生延迟的效果，造成某个半桥元件在应该关断时没有关断，造成功率元件烧毁。

死区就是在上半桥关断后，延迟一段时间再打开下半桥或在下半桥关断后，延迟一段时间再打开上半桥，从而避免功率元件烧毁。这段延迟时间就是死区。(就是上、下半桥的元件都是关断的)死区时间控制在通常的低端单片机所配备的PWM中是没有的。



死区时间是PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段，所以在这个时间，上下管都不会有输出，当然会使波形输出中断，死区时间一般只占百分之几的周期。

但是PWM波本身占空比小时，空出的部分要比死区还大，所以死区会影响输出的纹波，但应该不是起到决定性作用的。

02 



DSP里的PWM死区

在整流逆变的过程中，同一相的上下桥不能同时导通,否则电源会短路，理论上DSP产生的PWM是不会同时通，但器件的原因PWM不可能是瞬时电平跳变的，总是梯形下降的，这样会可能使上下桥直通，为此，设一个极短的时间，上下桥都关闭，再选择性开通，避免了上下桥直通，实际控制中死区会导致控制性能变差。

PWM的上下桥臂的三极管是不能同时导通的。如果同时导通就会是电源两端短路。所以，两路触发信号要在一段时间内都是使三极管断开的。这个区域就叫做“死区”。

PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压，PWM不是调节电流的。PWM的意思是脉宽调节，也就是调节方波高电平和低电平的时间比，一个20%占空比波形，会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间，占空比越大，高电平时间越长，则输出的脉冲幅度越高，即电压越高。

如果占空比为0%，那么高电平时间为0，则没有电压输出。

如果占空比为100%，那么输出全部电压。

所以通过调节占空比，可以实现调节输出电压的目的，而且输出电压可以无级连续调节。

03 



PWM相关概念

1.占空比

就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比。

如：一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000us，如果高电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是说PWM的占空比就是1:5。

2.分辨率

也就是占空比最小能达到多少，如8位的PWM，理论的分辨率就是1：255(单斜率)，16位的的PWM理论就是1:65535(单斜率)。

频率就是这样的，如16位的PWM，它的分辨率达到了1:65535，要达到这个分辨率，T/C就必须从0计数到65535才能达到，如果计数从0计到80之后又从0开始计到80.......，那么它的分辨率最小就是1:80了，但是，它也快了，也就是说PWM的输出频率高了。


3.双斜率 / 单斜率


  • 假设一个PWM从0计数到80，之后又从0计数到80....... 这个就是单斜率
  • 假设一个PWM从0计数到80，之后是从80计数到0....... 这个就是双斜率



可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率就慢了一半，但是分辨率却是1：(80+80)=1:160，就是提高了一倍。

假设PWM是单斜率，设定最高计数是80，我们再设定一个比较值是10，那么T/C从0计数到10时(这时计数器还是一直往上计数，直到计数到设定值80)，单片机就会根据你的设定，控制某个IO口在这个时候是输出1还是输出0还是端口取反，这样，就是PWM的最基本的原理了。

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