如何在STM32中配置PWM死区时间
2021-02-22

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 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。

互补PWM的死区时间

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;

IRF540

然后找到相关的 的相关典型参数;

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;

IGBT

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;

开关属性

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 正如上文所提到的可以元器件的数据手册中找到; 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;

TIMx_BDTR

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;

CKD

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72,000,000Hz,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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