解讀:什么是PWM“死區”?

PWM是脈寬調制,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,就需要三個橋臂。以兩電平為例,每個橋臂上有兩個電力電子器件,比如IGBT。這兩個IGBT不能同時導通,否則就會出現短路的情況。

因此,設計帶死區的PWM波可以防止上下兩個器件同時導通。也就是說,當一個器件導通后關閉,再經過一段死區,這時才能讓另一個導通。

一、什么是死區?

通常,大功率電機、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。每個橋的上半橋和下半橋是是絕對不能同時導通的,但高速的PWM驅動信號在達到功率元件的控制極時,往往會由于各種各樣的原因產生延遲的效果,造成某個半橋元件在應該關斷時沒有關斷,造成功率元件燒毀。

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

死區時間是PWM輸出時,為了使H橋或半H橋的上下管不會因為開關速度問題發生同時導通而設置的一個保護時段,所以在這個時間,上下管都不會有輸出,當然會使波形輸出中斷,死區時間一般只占百分之幾的周期。但是PWM波本身占空比小時,空出的部分要比死區還大,所以死區會影響輸出的紋波,但應該不是起到決定性作用的。

二、DSP里的PWM死區

在整流逆變的過程中,同一相的上下橋不能同時導通,否則電源會短路,理論上DSP產生的PWM是不會同時通,但器件的原因PWM不可能是瞬時電平跳變的,總是梯形下降的,這樣會可能使上下橋直通,為此,設一個極短的時間,上下橋都關閉,再選擇性開通,避免了上下橋直通,實際控制中死區會導致控制性能變差。

PWM的上下橋臂的三極管是不能同時導通的。如果同時導通就會是電源兩端短路。所以,兩路觸發信號要在一段時間內都是使三極管斷開的。這個區域就叫做“死區”。

PWM的占空比決定輸出到直流電機的平均電壓,PWM不是調節電流的。PWM的意思是脈寬調節,也就是調節方波高電平和低電平的時間比,一個20%占空比波形,會有20%的高電平時間和80%的低電平時間,而一個60%占空比的波形則具有60%的高電平時間和40%的低電平時間,占空比越大,高電平時間越長,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。

所以通過調節占空比,可以實現調節輸出電壓的目的,而且輸出電壓可以無級連續調節。

三、PWM相關概念

1.占空比

就是輸出的PWM中,高電平保持的時間與該PWM的時鐘周期的時間之比。

如,一個PWM的頻率是1000Hz,那么它的時鐘周期就是1ms,就是1000us,如果高電平出現的時間是200us,那么低電平的時間肯定是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,它的分辨率達到了1:65535,要達到這個分辨率,T/C就必須從0計數到65535才能達到,如果計數從0計到80之后又從0開始計到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

  • 假設一個PWM從0計數到80,之后又從0計數到80....... 這個就是單斜率
  • 假設一個PWM從0計數到80,之后是從80計數到0....... 這個就是雙斜率

可見,雙斜率的計數時間多了一倍,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PWM是單斜率,設定最高計數是80,我們再設定一個比較值是10,那么T/C從0計數到10時(這時計數器還是一直往上計數,直到計數到設定值80),單片機就會根據你的設定,控制某個IO口在這個時候是輸出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。

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