干货 | 炸机后才去注意PWM的死区时间
2020-11-24
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什么是死区时间？
PWM是脉冲宽度调制，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。大致如下图所示；
这两个
IGBT不能同时导通，否则就会出现短路的情况，从而对系统造成损害。那为什么会出现同时导通的情况呢？
因为开关元器件的和严格意义并不是相同的。
所以在驱动开关元器件门极的时候需要增加一段延时，确保另一个开关管完全关断之后再去打开这个开关元器件，通常存在两种情况；
- 上半桥关断后，延迟一段时间再打开下半桥；
- 下半桥关断后，延迟一段时间再打开上半桥；
这样就不会同时导通，从而避免功率元件烧毁；死区时间控制在通常的单片机所配备的PWM中都有这样的功能，下面会进一步介绍。
相对于PWM来说，死区时间是在PWM输出的这个时间，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。但是当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。
另外如果死区设置过小，但是仍然出现上下管同时导通，因为导通时间非常非常短，电流没有变得很大，不足以烧毁系统，那此时会导致开关元器件发热严重，所以选择合适的死区时间尤为重要，过大过小都不行。
数据手册的参数
这里看了一下
NXP的IRF540的数据手册，栅极开关时间如下所示；
然后找到相关的，，，的相关典型参数；
- ：门极的开通延迟时间
- ：门极的关断延迟时间
- ：门极上升时间
- ：门极下降时间
下面是一个
IGBT的数据手册；
下图是
IGBT的开关属性，同样可以找到，，，等参数，下面计算的时候会用到；
如何计算合理的死区时间？
这里用表示死区时间，因为门极上升和下降时间通常比延迟时间小很多，所以这里可以不用考虑它们。则死区时间满足；
- :最大的关断延迟时间；
- :最小的开通延迟时间；
- :最大的驱动信号传递延迟时间；
- :最小的驱动信号传递延迟时间；
其中 和正如上文所提到的可以元器件的数据手册中找到； 和 一般由驱动器厂家给出；
如果是
MCU的IO驱动的话，需要考虑IO的上升时间和下降时间，另外一般会加光耦进行隔离，这里还需要考虑到光耦的开关延时。STM32中配置死区时间
STM32的
TIM高级定时器支持互补PWM波形发生，同时它支持插入死区时间和刹车的配置。直接看参考手册里的寄存器TIMx_BDTR，这是配置刹车和死区时间的寄存器；
可以看到死区时间DT由**UTG[7：0]**决定，这里还有一个问题是是什么？在TIMx_CR1的寄存器可以得知，由TIMx_CR1寄存器的CKD决定；
如果这里配置成00，那么和内部定时器的频率相同，为
8M；
结合代码做一下计算；系统频率为72M,下面是时基单元的配置；
#define PWM_FREQ ((u16) 16000) // in Hz (N.b.: pattern type is center aligned)
#define PWM_PRSC ((u8)0)
#define PWM_PERIOD ((u16) (CKTIM / (u32)(2 * PWM_FREQ *(PWM_PRSC+1))))
TIM_TimeBaseStructInit(&TIM1_TimeBaseStructure);
/* Time Base configuration */
TIM1_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0x0;
TIM1_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_CenterAligned1;
TIM1_TimeBaseStructure.TIM_Period = PWM_PERIOD;
TIM1_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV2;
PWM的频率是
16K，注意这里的PWM是中央对齐模式，因此配置的时钟频率为32K;下面时刹车和死区时间，BDTR寄存器的配置，因此这里的
CK_INT为32M#define CKTIM ((u32)72000000uL) /* Silicon running at 72MHz Resolution: 1Hz */
#define DEADTIME_NS ((u16) 500) //in nsec; range is [0...3500]
#define DEADTIME (u16)((unsigned long long)CKTIM/2 \
*(unsigned long long)DEADTIME_NS/1000 000 000uL)
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable;
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable;
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_1;
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = DEADTIME;
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable;
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High;
TIM1_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Disable;
例：若TDTS = 31ns(32MHZ)，可能的死区时间为：0到3970ns，若步长时间为31ns；4000us到8us，若步长时间为62ns；8us到16us，若步长时间为250ns；16us到32us，若步长时间为500ns；
如果需要配置死区时间 1000ns，系统频率72,000,000
Hz，那么需要配置寄存器的值为；直接写成宏定义的形式；
#define DEADTIME (u16)((unsigned long long)CKTIM/2 \
*(unsigned long long)DEADTIME_NS/1000 000 000uL)
用示波器验证了一下；具体如下图所示；
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