在电力电子系统中，IGBT或MOSFET的死区介绍

‌PWM死区是指在PWM信号中设置的一段特定时间间隔，目的是防止功率元件同时导通导致的短路问题。‌在电力电子系统中，特别是使用IGBT或MOSFET等功率元件时，死区时间非常重要。它确保在一个功率元件关闭后，另一个元件才能开启，从而避免同时导通导致的短路风险。‌1死区的设置通常在PWM信号的互补输出中实现。例如，在一个PWM输出的关闭事件和另一个互补PWM输出的开启事件之间，设置一个死区时间段。这样可以防止上下管直通电流，保护功率元件不受损坏。死区时间一般只占PWM周期的百分之几，虽然会影响输出的纹波，但通常不会起到决定性作用。‌1在实际应用中，死区时间的设置需要考虑功率元件的开关速度和电路的具体需求。通过调整死区时间，可以优化电路的性能，防止因开关速度问题导致的功率元件烧毁。

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。

02DSP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。

03PWM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。

在PWM三相逆变器中，由于开关管存在一定的开通和关断时间，为防止同一桥臂上两个开关器件的直通现象，控制信号中必须设定几个微秒的死区时间。尽管死区时间非常短暂，引起的输出电压误差较小，但由于开关频率较高，死区引起误差的叠加值将会引起电机负载电流的波形畸变，使电磁力矩产生较大的脉动现象，从而使动静态性能下降，降低了开关器件的实际应用效果。

本文从分析死区效应的产生机理入手，寻求死区效应的补偿方法。

2死区效应的产生

利用逆变器中的一个桥臂(如图1)来讨论。它包括上下开关器件V1和V2，续流二极管D1和D2，连接两只功率器件的控制信号来自PWM发生器，产生两个基本的驱动信号ub1和ub2。输出电压接电机负载，设电流i流向负载的方向为正。

在上下两只功率管转换时，分为V1由通到断与V2由断到通或V2由通到断与V1由断到通两种情况，必须注入死区时间使上下两个开关管均不导通，此时输出电流将由D1或D2续流，这取决于电流i的方向，而输出电压将会因死区时间而被延迟，如图2所示。

由图2可见，输出理想波与实际波之间将会引起误差波。若忽略开关器件的存储时间及脉冲上升与下降时间，误差波可认为是矩形波。

图1逆变器的一个桥臂

图2死区误差及矫正波形图

3死区效应的补偿

31调整参考波形的补偿方法

假定开关频率远大于基波频率，输出电流为正弦波，每一死区引起的电压误差近似相等，则死区时间对基波电压的影响可用电流正负半周的平均电压误差来表示。

每个死区的误差波面积为：Δe=tdUd(1)

式中：td——死区时间(μs)

Ud——直流电源电压(V)

则在每一个基波周期内的误差平均值为：

式中：M——每一个周期内开关的次数

T——基波周期(μs)

可见，电压损失与电流幅度无关，与电流方向有关。平均误差电压对逆变器影响的波形如图3所示。其中ur为理想基波。若负载为感性，则电流滞后ur的角度为φ′。平均误差电压ΔU为矩形波，与电流i成反向关系，分解后基波为Δu1。则实际基波电压u1为理想基波ur与误差基波Δu1的叠加。

在正弦调制PWM逆变器中，控制脉宽波形的实现是由参考波与调制波比较后获得。因此，死区效应的补偿可以根据负载电流的方向调整参考波而实现。

根据以上分析，可以构造出死区补偿电路如图4所示。

器件A1检测负载电流i的方向，A2的输出为一矩形波，该矩形波加到参考波中，产生一个调整后的参考波。当i>0时，使参考波变得更正;当i0时，使参考波变得更负。根据这样适当的调整，死区时间引起的误差可以消除，输出基波电压将与原参考波相同。在图4中，R2为增益调整，使方波幅值与误差平均波幅值ΔU相等。R2与死区时间和开关频率成正比。R3为偏置调整，是考虑各功率开关管的时间延迟不相等引起的正负电压不平衡而设置的。

该电路适用于正弦调整PWM逆变器，脉宽必须由参考波与调制波直接比较获得，该补偿方式需要一个电流传感器反馈电流的方向。其特点是硬件电路简单，易于实现。

32基于脉冲调整的死区效应补偿

图3死区时间对基波的影响

(a)感性负载时的波形(b)分解后的基波Δu1

图4死区补偿电路

根据图2的死区效应分析，还可以利用软件编程方法通过改变开关时间来补偿死区效应。只需检测负载电流的极性，无需检测电流的相位，将电流极性传递到微处理器的数据线即可，具体方法如下：

当i>0时，图2(a)为理想波，图2(b)给出死区时间引起的实际波与无死区时间理想波之间的误差。为消除该误差，可以利用软件改变脉冲时间，如图2(c)。在死区时间发生器产生一个不对称脉冲之前另加一个正脉冲，这个正脉冲与死区时间合成后，产生的实际波与理想波在宽度和位置上均相同，如图2(d);当i0时，图2(e)，在有死区时间的情况下产生的实际波与理想波相比，增加了一段正脉冲，若在死区时间发生器产生一个不对称的死区脉冲之前加一段负脉冲，则合成后的实际波与理想波在宽度和位置上均一致。

图5基于脉冲调整的死区效应补偿流程图

本方法可以利用80C196MC电机控制专用芯片实现，该芯片内含一个PWM波形发生器，在死区时间计数器之前调整波形发生器的脉冲时间对死区效应进行补偿。该方法与载波频率无关，只与负载电流极性相关。以U相开关管信号发生器为例，用负载电流的极性和一个表示down/up的计算状态变量CNT为依据编程，down表示开关管打开，up表示开关管关闭。由此来决定校正时是否需要加或减脉冲的时间。利用软件产生理想运行的开关时间ton和toff。死区td预先存储于波形发生器的控制寄存器中，由电流检测器不停地由数据总线更新电流极性，由来自波形发生器的中断信号更新变量CNT的状态。

当i>0时，CNT为down状态时，软件需在ton上加一个td脉冲，并存于ton中，再送到波形发生器中，经死区时间计数器处理后，应用到负载中去。死区计数器提供两个互补的PWM控制信号去控制上下两个功率开关管。当i>0且CNT为up时，toff不需校正，toff直接送到波形发生器中，经死时计数器处理后，应用到负载中。

当i0且CNT为up时，ton不需校正，直接送到波形发生器中，经死时计数器处理后，应用到负载中。当i0且CNT为up时，toff需减去一个脉宽td,存储于toff中，再送到波形发生器中，经死区时间计数器处理后，应用到负载中。流程图如图5所示。

图5 基于肪冲调整的死区效应补偿流程图