在電力電子系統(tǒng)中，IGBT或MOSFET的死區(qū)介紹

?PWM死區(qū)是指在PWM信號中設(shè)置的一段特定時(shí)間間隔，目的是防止功率元件同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致的短路問題。?在電力電子系統(tǒng)中，特別是使用IGBT或MOSFET等功率元件時(shí)，死區(qū)時(shí)間非常重要。它確保在一個(gè)功率元件關(guān)閉后，另一個(gè)元件才能開啟，從而避免同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致的短路風(fēng)險(xiǎn)。?1死區(qū)的設(shè)置通常在PWM信號的互補(bǔ)輸出中實(shí)現(xiàn)。例如，在一個(gè)PWM輸出的關(guān)閉事件和另一個(gè)互補(bǔ)PWM輸出的開啟事件之間，設(shè)置一個(gè)死區(qū)時(shí)間段。這樣可以防止上下管直通電流，保護(hù)功率元件不受損壞。死區(qū)時(shí)間一般只占PWM周期的百分之幾，雖然會影響輸出的紋波，但通常不會起到?jīng)Q定性作用。?1在實(shí)際應(yīng)用中，死區(qū)時(shí)間的設(shè)置需要考慮功率元件的開關(guān)速度和電路的具體需求。通過調(diào)整死區(qū)時(shí)間，可以優(yōu)化電路的性能，防止因開關(guān)速度問題導(dǎo)致的功率元件燒毀。

PWM是脈寬調(diào)制，在電力電子中，最常用的就是整流和逆變。這就需要用到整流橋和逆變橋。對三相電來說，就需要三個(gè)橋臂。

以兩電平為例，每個(gè)橋臂上有兩個(gè)電力電子器件，比如IGBT。這兩個(gè)IGBT不能同時(shí)導(dǎo)通，否則就會出現(xiàn)短路的情況。

因此，設(shè)計(jì)帶死區(qū)的PWM波可以防止上下兩個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通。也就是說，當(dāng)一個(gè)器件導(dǎo)通后關(guān)閉，再經(jīng)過一段死區(qū)，這時(shí)才能讓另一個(gè)導(dǎo)通。

01什么是死區(qū)?

通常，大功率電機(jī)、變頻器等，末端都是由大功率管、IGBT等元件組成的H橋或3相橋。

每個(gè)橋的上半橋和下半橋是是絕對不能同時(shí)導(dǎo)通的，但高速的PWM驅(qū)動(dòng)信號在達(dá)到功率元件的控制極時(shí)，往往會由于各種各樣的原因產(chǎn)生延遲的效果，造成某個(gè)半橋元件在應(yīng)該關(guān)斷時(shí)沒有關(guān)斷，造成功率元件燒毀。

死區(qū)就是在上半橋關(guān)斷后，延遲一段時(shí)間再打開下半橋或在下半橋關(guān)斷后，延遲一段時(shí)間再打開上半橋，從而避免功率元件燒毀。這段延遲時(shí)間就是死區(qū)。(就是上、下半橋的元件都是關(guān)斷的)死區(qū)時(shí)間控制在通常的低端單片機(jī)所配備的PWM中是沒有的。

死區(qū)時(shí)間是PWM輸出時(shí)，為了使H橋或半H橋的上下管不會因?yàn)殚_關(guān)速度問題發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通而設(shè)置的一個(gè)保護(hù)時(shí)段，所以在這個(gè)時(shí)間，上下管都不會有輸出，當(dāng)然會使波形輸出中斷，死區(qū)時(shí)間一般只占百分之幾的周期。

但是PWM波本身占空比小時(shí)，空出的部分要比死區(qū)還大，所以死區(qū)會影響輸出的紋波，但應(yīng)該不是起到?jīng)Q定性作用的。

02DSP里的PWM死區(qū)

在整流逆變的過程中，同一相的上下橋不能同時(shí)導(dǎo)通,否則電源會短路，理論上DSP產(chǎn)生的PWM是不會同時(shí)通，但器件的原因PWM不可能是瞬時(shí)電平跳變的，總是梯形下降的，這樣會可能使上下橋直通，為此，設(shè)一個(gè)極短的時(shí)間，上下橋都關(guān)閉，再選擇性開通，避免了上下橋直通，實(shí)際控制中死區(qū)會導(dǎo)致控制性能變差。

PWM的上下橋臂的三極管是不能同時(shí)導(dǎo)通的。如果同時(shí)導(dǎo)通就會是電源兩端短路。所以，兩路觸發(fā)信號要在一段時(shí)間內(nèi)都是使三極管斷開的。這個(gè)區(qū)域就叫做“死區(qū)”。

PWM的占空比決定輸出到直流電機(jī)的平均電壓，PWM不是調(diào)節(jié)電流的。PWM的意思是脈寬調(diào)節(jié)，也就是調(diào)節(jié)方波高電平和低電平的時(shí)間比，一個(gè)20%占空比波形，會有20%的高電平時(shí)間和80%的低電平時(shí)間，而一個(gè)60%占空比的波形則具有60%的高電平時(shí)間和40%的低電平時(shí)間，占空比越大，高電平時(shí)間越長，則輸出的脈沖幅度越高，即電壓越高。

如果占空比為0%，那么高電平時(shí)間為0，則沒有電壓輸出。

如果占空比為100%，那么輸出全部電壓。

所以通過調(diào)節(jié)占空比，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，而且輸出電壓可以無級連續(xù)調(diào)節(jié)。

03PWM相關(guān)概念

1.占空比

就是輸出的PWM中，高電平保持的時(shí)間與該P(yáng)WM的時(shí)鐘周期的時(shí)間之比。

如：一個(gè)PWM的頻率是1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是200us，那么低電平的時(shí)間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說PWM的占空比就是1:5。

2.分辨率

也就是占空比最小能達(dá)到多少，如8位的PWM，理論的分辨率就是1：255(單斜率)，16位的的PWM理論就是1:65535(單斜率)。

頻率就是這樣的，如16位的PWM，它的分辨率達(dá)到了1:65535，要達(dá)到這個(gè)分辨率，T/C就必須從0計(jì)數(shù)到65535才能達(dá)到，如果計(jì)數(shù)從0計(jì)到80之后又從0開始計(jì)到80.......，那么它的分辨率最小就是1:80了，但是，它也快了，也就是說PWM的輸出頻率高了。

3.雙斜率 / 單斜率

假設(shè)一個(gè)PWM從0計(jì)數(shù)到80，之后又從0計(jì)數(shù)到80....... 這個(gè)就是單斜率

假設(shè)一個(gè)PWM從0計(jì)數(shù)到80，之后是從80計(jì)數(shù)到0....... 這個(gè)就是雙斜率

可見，雙斜率的計(jì)數(shù)時(shí)間多了一倍，所以輸出的PWM頻率就慢了一半，但是分辨率卻是1：(80+80)=1:160，就是提高了一倍。

假設(shè)PWM是單斜率，設(shè)定最高計(jì)數(shù)是80，我們再設(shè)定一個(gè)比較值是10，那么T/C從0計(jì)數(shù)到10時(shí)(這時(shí)計(jì)數(shù)器還是一直往上計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)到設(shè)定值80)，單片機(jī)就會根據(jù)你的設(shè)定，控制某個(gè)IO口在這個(gè)時(shí)候是輸出1還是輸出0還是端口取反，這樣，就是PWM的最基本的原理了。

在PWM三相逆變器中，由于開關(guān)管存在一定的開通和關(guān)斷時(shí)間，為防止同一橋臂上兩個(gè)開關(guān)器件的直通現(xiàn)象，控制信號中必須設(shè)定幾個(gè)微秒的死區(qū)時(shí)間。盡管死區(qū)時(shí)間非常短暫，引起的輸出電壓誤差較小，但由于開關(guān)頻率較高，死區(qū)引起誤差的疊加值將會引起電機(jī)負(fù)載電流的波形畸變，使電磁力矩產(chǎn)生較大的脈動(dòng)現(xiàn)象，從而使動(dòng)靜態(tài)性能下降，降低了開關(guān)器件的實(shí)際應(yīng)用效果。

本文從分析死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理入手，尋求死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償方法。

2死區(qū)效應(yīng)的產(chǎn)生

利用逆變器中的一個(gè)橋臂(如圖1)來討論。它包括上下開關(guān)器件V1和V2，續(xù)流二極管D1和D2，連接兩只功率器件的控制信號來自PWM發(fā)生器，產(chǎn)生兩個(gè)基本的驅(qū)動(dòng)信號ub1和ub2。輸出電壓接電機(jī)負(fù)載，設(shè)電流i流向負(fù)載的方向?yàn)檎?

在上下兩只功率管轉(zhuǎn)換時(shí)，分為V1由通到斷與V2由斷到通或V2由通到斷與V1由斷到通兩種情況，必須注入死區(qū)時(shí)間使上下兩個(gè)開關(guān)管均不導(dǎo)通，此時(shí)輸出電流將由D1或D2續(xù)流，這取決于電流i的方向，而輸出電壓將會因死區(qū)時(shí)間而被延遲，如圖2所示。

由圖2可見，輸出理想波與實(shí)際波之間將會引起誤差波。若忽略開關(guān)器件的存儲時(shí)間及脈沖上升與下降時(shí)間，誤差波可認(rèn)為是矩形波。

圖1逆變器的一個(gè)橋臂

圖2死區(qū)誤差及矯正波形圖

3死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償

31調(diào)整參考波形的補(bǔ)償方法

假定開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于基波頻率，輸出電流為正弦波，每一死區(qū)引起的電壓誤差近似相等，則死區(qū)時(shí)間對基波電壓的影響可用電流正負(fù)半周的平均電壓誤差來表示。

每個(gè)死區(qū)的誤差波面積為：Δe=tdUd(1)

式中：td——死區(qū)時(shí)間(μs)

Ud——直流電源電壓(V)

則在每一個(gè)基波周期內(nèi)的誤差平均值為：

式中：M——每一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)的次數(shù)

T——基波周期(μs)

可見，電壓損失與電流幅度無關(guān)，與電流方向有關(guān)。平均誤差電壓對逆變器影響的波形如圖3所示。其中ur為理想基波。若負(fù)載為感性，則電流滯后ur的角度為φ′。平均誤差電壓ΔU為矩形波，與電流i成反向關(guān)系，分解后基波為Δu1。則實(shí)際基波電壓u1為理想基波ur與誤差基波Δu1的疊加。

在正弦調(diào)制PWM逆變器中，控制脈寬波形的實(shí)現(xiàn)是由參考波與調(diào)制波比較后獲得。因此，死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償可以根據(jù)負(fù)載電流的方向調(diào)整參考波而實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)以上分析，可以構(gòu)造出死區(qū)補(bǔ)償電路如圖4所示。

器件A1檢測負(fù)載電流i的方向，A2的輸出為一矩形波，該矩形波加到參考波中，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)整后的參考波。當(dāng)i>0時(shí)，使參考波變得更正;當(dāng)i0時(shí)，使參考波變得更負(fù)。根據(jù)這樣適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，死區(qū)時(shí)間引起的誤差可以消除，輸出基波電壓將與原參考波相同。在圖4中，R2為增益調(diào)整，使方波幅值與誤差平均波幅值ΔU相等。R2與死區(qū)時(shí)間和開關(guān)頻率成正比。R3為偏置調(diào)整，是考慮各功率開關(guān)管的時(shí)間延遲不相等引起的正負(fù)電壓不平衡而設(shè)置的。

該電路適用于正弦調(diào)整PWM逆變器，脈寬必須由參考波與調(diào)制波直接比較獲得，該補(bǔ)償方式需要一個(gè)電流傳感器反饋電流的方向。其特點(diǎn)是硬件電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

32基于脈沖調(diào)整的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償

圖3死區(qū)時(shí)間對基波的影響

(a)感性負(fù)載時(shí)的波形(b)分解后的基波Δu1

圖4死區(qū)補(bǔ)償電路

根據(jù)圖2的死區(qū)效應(yīng)分析，還可以利用軟件編程方法通過改變開關(guān)時(shí)間來補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)。只需檢測負(fù)載電流的極性，無需檢測電流的相位，將電流極性傳遞到微處理器的數(shù)據(jù)線即可，具體方法如下：

當(dāng)i>0時(shí)，圖2(a)為理想波，圖2(b)給出死區(qū)時(shí)間引起的實(shí)際波與無死區(qū)時(shí)間理想波之間的誤差。為消除該誤差，可以利用軟件改變脈沖時(shí)間，如圖2(c)。在死區(qū)時(shí)間發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)不對稱脈沖之前另加一個(gè)正脈沖，這個(gè)正脈沖與死區(qū)時(shí)間合成后，產(chǎn)生的實(shí)際波與理想波在寬度和位置上均相同，如圖2(d);當(dāng)i0時(shí)，圖2(e)，在有死區(qū)時(shí)間的情況下產(chǎn)生的實(shí)際波與理想波相比，增加了一段正脈沖，若在死區(qū)時(shí)間發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)不對稱的死區(qū)脈沖之前加一段負(fù)脈沖，則合成后的實(shí)際波與理想波在寬度和位置上均一致。

圖5基于脈沖調(diào)整的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償流程圖

本方法可以利用80C196MC電機(jī)控制專用芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片內(nèi)含一個(gè)PWM波形發(fā)生器，在死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器之前調(diào)整波形發(fā)生器的脈沖時(shí)間對死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。該方法與載波頻率無關(guān)，只與負(fù)載電流極性相關(guān)。以U相開關(guān)管信號發(fā)生器為例，用負(fù)載電流的極性和一個(gè)表示down/up的計(jì)算狀態(tài)變量CNT為依據(jù)編程，down表示開關(guān)管打開，up表示開關(guān)管關(guān)閉。由此來決定校正時(shí)是否需要加或減脈沖的時(shí)間。利用軟件產(chǎn)生理想運(yùn)行的開關(guān)時(shí)間ton和toff。死區(qū)td預(yù)先存儲于波形發(fā)生器的控制寄存器中，由電流檢測器不停地由數(shù)據(jù)總線更新電流極性，由來自波形發(fā)生器的中斷信號更新變量CNT的狀態(tài)。

當(dāng)i>0時(shí)，CNT為down狀態(tài)時(shí)，軟件需在ton上加一個(gè)td脈沖，并存于ton中，再送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中去。死區(qū)計(jì)數(shù)器提供兩個(gè)互補(bǔ)的PWM控制信號去控制上下兩個(gè)功率開關(guān)管。當(dāng)i>0且CNT為up時(shí)，toff不需校正，toff直接送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死時(shí)計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中。

當(dāng)i0且CNT為up時(shí)，ton不需校正，直接送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死時(shí)計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中。當(dāng)i0且CNT為up時(shí)，toff需減去一個(gè)脈寬td,存儲于toff中，再送到波形發(fā)生器中，經(jīng)死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)器處理后，應(yīng)用到負(fù)載中。流程圖如圖5所示。

圖5 基于肪沖調(diào)整的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償流程圖