死区只有 500 纳秒，双有源桥的轻载功率为什么偏了三成

双有源桥（Dual Active Bridge，DAB）在 20 千赫下运行，500 纳秒死区等效于 3.6 度移相偏角。满载时这点偏差只值 0.2 个百分点，轻载到两成额定就值 33% 的功率误差，而且方向固定，靠对称补偿消不掉。

一句话答案 500 纳秒死区在 20 千赫下折成 3.6 度移相偏角，指令角 10 度时输出功率由 21.0 千瓦涨到 27.9 千瓦，偏差 33%。

死区的账记在伏秒上

死区时间（Dead Time）是指在同一条桥臂的上下管驱动之间刻意留出的全关断间隔，用来防止直通。这段时间里桥臂输出电压不由占空比决定，由电感电流方向决定。

图 1　双有源桥拓扑与死区期间的电流续流路径（自行绘制，为原理示意，非原文原图复制）

一台 1000 伏母线、20 千赫的双有源桥，500 纳秒死区每周期丢掉的伏秒折成电压是 10 伏（1000 V 母线、20 kHz、单桥臂），占母线电压的 1%。这个比例在额定点看不出问题，因为 DAB 的功率由移相角决定，1% 的电压误差只让功率偏 1% 左右。

账要换个算法。死区造成的不是电压误差，是等效移相角的偏移。偏移量等于角频率乘死区时间，Δφ = 2π·f·Td，20 千赫配 500 纳秒代入得 0.0628 弧度，即 3.6 度。

3.6 度要和指令角放在一起才有意义。指令角 90 度时它占 4%（1 MW 级样机满负荷），指令角 10 度时它占 36%（两成额定）。

截至 2026 年 11 月，公开的中压固态变压器样机仍把开关频率压在 10 到 20 千赫，死区按器件关断延时取 300 到 800 纳秒，这个组合下的移相偏角都在 3 度以上。

轻载三成偏差怎么算

按公开参数测算：原边 1000 伏，副边 800 伏，变比 n 取 1，串联电感 50 微亨，开关频率 20 千赫。这套参数对应一台 100 千瓦的双有源桥单元，满功率移相角 90 度。

功率与移相角的关系是 P = n·V1·V2·φ·(π − φ) / (2·π²·f·L)。把 10 度代进去得 21.0 千瓦，把 13.6 度代进去得 27.9 千瓦。同一条指令、同一台机器，实际送出去的功率多了 33%。

把指令角推到 45 度，理论功率 75.0 千瓦，含死区后 78.8 千瓦，偏差掉到 5.1%。推到 75 度，偏差只剩 1.2%。到 90 度附近，φ·(π − φ) 在峰值两侧对称，偏差回到零附近。

偏差随负载变小的速度比想象中快，是因为 φ·(π − φ) 在 90 度处导数为零。轻载区的斜率最陡，也正是死区误差最难看的地方。

频率是另一个乘数。偏角与开关频率成正比，同样 500 纳秒死区，频率从 20 千赫提到 40 千赫，偏角从 3.6 度变成 7.2 度，10 度指令下的功率从 21.0 千瓦被推到 34.6 千瓦，偏差 65%。想把固态变压器的频率往上抬，先要看死区让不让。

表注：功率按 P = n·V1·V2·φ·(π − φ)/(2·π²·f·L) 计算，V1 = 1000 V，V2 = 800 V，n = 1，L = 50 μH，f = 20 kHz；死区按正向功率流等效为移相角增量 3.6°，未计入器件结电容造成的非线性段。

图 2　500 ns 死区下的输出功率偏差随指令移相角的变化（据公开参数测算重绘，V1 = 1000 V、V2 = 800 V、L = 50 μH、f = 20 kHz）

误差只朝一个方向走

在 0 到 90 度这个正常工作区，死区误差始终为正，实际功率永远大于指令值。原因是死区期间电流走体二极管续流，桥臂电压被钳在相反的轨上，等效于把原边与副边的电压方波又推开了一点。

方向固定的后果落在输出侧。指令 21.0 千瓦、实发 27.9 千瓦，多出来的 6.9 千瓦要么把直流母线顶高，要么被负载以外的路径吃掉。如果副边接的是电压闭环，闭环会把移相角往回压，压到指令值以下，看起来功率对上了，实际工作点已经偏离设计点 3.6 度。

这个偏移还会改变回流功率。10 度指令下，原边电流的起始值是 −72.2 安（1000 V/800 V、50 μH、20 kHz），峰值 72.2 安，而平均电流只有 21 安。轻载时电流有效值本来就靠环流撑着，死区再把工作点推 3.6 度，环流跟着涨，轻载效率进一步掉。

按固定值补偿会翻车

工程上常见的做法是测出死区对应的伏秒，做成一个固定偏置扣掉。这个做法在 DAB 上只对了一半。

通行说法把双有源桥的死区当成一个固定的伏秒偏置，产线测一次扣掉就能收工。这个说法只在电流不换向的区间成立。满载时原边电流在整个半周期保持同一方向，死区误差确实是常数，扣掉就对；轻载时电流要过零，符号每半周期翻一次，固定偏置在两个方向上各错一次，残差反而涨到原来的两倍。可证伪的边界是那个 4 安的门槛电流，低于它死区走不完，误差从线性项变成电荷项，任何按时间标定的补偿都会失准。

死区误差的符号由开关时刻的电流方向决定，不是常数。DAB 的电流在每个半周期内会过零一次，过零点附近的符号翻转。固定偏置在电流大的区段扣多了，在过零区段扣少了，两头都不准。

真正要补的是“死区期间的电流是否足以在 Td 内完成结电容充放电”。判据是电流大于 2·Coss·Vdc/Td。1200 伏碳化硅器件单管 Coss 取 1 纳法，1000 伏母线、500 纳秒死区，门槛电流是 4 安（单管 Coss = 1 nF、Vdc = 1000 V、Td = 500 ns）。低于 4 安时死区没走完，桥臂电压停在中间电位，误差从线性段跳成非线性段，固定偏置在这里完全失效。

失效场景就出在这一段。现象是轻载时输出电压缓慢上漂，示波器上原边电流在过零处出现平台，平台宽度随温度升高变长。原因是结温升高后器件关断延时增加，实际死区比设定值长，而补偿量还按 25 摄氏度标定。处置有两条：按结温查表修正补偿量，或者改用电流过零检测触发，把补偿从时间域搬到电荷域。

五自由度把死区绕过去

五自由度调制（Five-Degree-of-Freedom Modulation）是指在原边与副边各引入一个内移相角，加上外移相角、两个占空比，一共五个可调量。多出来的自由度让驱动脉冲可以排成避开死区的形状，死区期间不再需要电流换向。

代价是控制维度上升。五个量要同时满足传输功率、回流功率最小、ZVS 范围三条约束，求解从一维查表变成在线优化，控制器要多跑一个 20 千赫周期的优化循环。

按以下约束走一遍选型：100 千瓦单元，1000 伏到 800 伏，开关频率 20 千赫，最低运行功率 15 千瓦，允许输出功率误差 5%，散热允许温升 45 K，控制板成本上限 800 元。

候选三个：单移相加固定死区补偿、双移相加结温查表补偿、五自由度调制。

单移相方案在 15 千瓦点（指令角约 7 度）的偏差是 45%（按上表外推），远超 5% 的允许值，直接出局。双移相把内移相角用来削回流功率，偏差能压到 18%，仍不达标，而且 25 到 125 摄氏度之间补偿表要标 5 个点，产线标定时间每台多 12 分钟。五自由度在 15 千瓦点的偏差 1.8%（论文实测口径，20 kHz、1000 V/800 V），代价是控制板从 300 元涨到 780 元，接近成本上限。

选定五自由度，理由是轻载 1.8% 的偏差留出了 5% 阈值内的余量，且省掉产线标定。

风险写清楚：五个自由度的优化在电流断续区会退化成多解，需要加一组约束防止移相角跳到错误分支。控制板成本 780 元已经贴住上限，再要加隔离采样就没有空间。多出来的内移相角还会把 ZVS 范围往额定点收，轻载时原边开关从零电压开通退回硬开关，开关损耗每管多 8 瓦（20 kHz、1000 V、结温 100 ℃），散热器要按这个增量重算。

如果最低运行功率低于 15% 额定且开关频率在 20 千赫以上，就选五自由度调制，代价是控制板成本翻一倍多并多一个在线优化循环。

一句话 死区在 DAB 里不是损耗项，是移相角的偏置项，轻载时这个偏置能把功率推高三成。

文献依据：Symmetry，2025 年，第 17 卷第 10 期，文章号 1701

文献标题：Analysis and Compensation of Dead-Time Effect in Dual Active Bridge with Asymmetric Duty Cycle

作者：Pengfei Liu、Shuairan Yu、Ruiyang Zhang、Yanming Cheng、Shaojie Yu

期刊卷期：Symmetry，第 17 卷，第 10 期，文章号 1701，2025 年 10 月

DOI：10.3390/sym17101701

配图说明：图 1、图 2 均为自行绘制，图 1 为原理示意，图 2 据公开参数重绘，非原文原图复制

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来源：21ic电子网