關(guān)于PWM“死區(qū)”時(shí)間知識解析

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(huì)出現(xiàn)短路的情況。

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(huì)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。

死區(qū)，簡單解釋：

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(huì)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(huì)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(huì)有輸出，當(dāng)然會(huì)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(huì)影響輸出的紋波，但應(yīng)該不是起到?jīng)Q定性作用的。

DSP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(huì)段路，理論上DSP產(chǎn)生的PWM是不會(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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)。

1.PWM控制的基本原理

理論基礎(chǔ)：

沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

圖1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖

面積等效原理：

分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)(R-L電路)上，如圖2a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。

圖2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形

用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等;用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積(沖量)相等，寬度按正弦規(guī)律變化。

SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。

圖3 用PWM波代替正弦半波

要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。

PWM電流波： 電流型逆變電路進(jìn)行PWM控制，得到的就是PWM電流波。

PWM波形可等效的各種波形：

直流斬波電路：等效直流波形

SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。

2. PWM相關(guān)概念

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。

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。

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(huì)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。