一、什么是PWM死区？

PWM死区是指在全桥或半桥驱动电路中，为了防止高、低桥臂器件同时导通而在驱动信号之间人为插入的一段空白时间。这段时间内，两个驱动信号都为低电平，从而避免功率器件发生“直通”（shoot-through）现象。

示例说明：

设想一个半桥驱动结构，上桥臂和下桥臂各有一个MOSFET。如果上桥臂刚关闭，下桥臂就立即导通，而器件关断存在延迟，就可能发生两管同时导通，从而造成电源短路，烧毁器件。为避免此类情况，设计者需在两个信号之间加入“死区时间”。

二、PWM死区的产生原因

PWM死区并不是器件自身的特性，而是人为设计的保护措施。其产生原因主要包括以下几点：

1. 器件的开关延迟（Switching Delay）
   MOSFET、IGBT等功率器件在开通或关断时存在延迟，如上升时间（Rise Time）和下降时间（Fall Time），这会导致实际导通/关断不完全同步。

2. 驱动时序不一致
   驱动器件响应时间、通道差异、布线长度差异等因素都会导致上下桥臂的驱动信号存在偏差。

3. 防止直通短路
   在半桥或全桥电路中，若上下桥臂同时导通，会形成从正电源到地的低阻抗通路，造成器件烧毁，因此需要设计死区。

三、PWM死区的设计方法

1. 硬件设计实现

• 使用带死区控制功能的驱动芯片
  如IR2110、IR2184等集成了可调死区时间功能，可通过外部电阻设定死区长度，简化设计。

• 利用逻辑门延迟构建死区
  通过施密特触发器、电阻电容延迟网络或可编程逻辑器件（如FPGA）控制时序，手动加入死区时间。

2. 软件控制实现

• 通过MCU或DSP编程实现
  大多数微控制器（如STM32、TI C2000）提供PWM死区配置寄存器，可以在固件中设定精确的死区时间（单位为纳秒或计数周期）。

• 定时器配置
  采用高级定时器设置互补PWM输出，并通过专用寄存器（如STM32的BDTR寄存器）设定死区时间。

3. 死区时间的设定原则

• 不能太短
  太短可能不能完全覆盖功率器件的延迟时间，存在直通风险。

• 不能太长
  死区过长会影响输出波形，导致功率损耗增加、谐波升高、效率降低。

• 建议设置
  一般设置在器件最大关断延迟的1.22倍，例如器件最大关断延迟为100ns，则死区设置在120200ns较为合适。

四、PWM死区在实际电路中的应用

1. 在电机驱动中的应用

在三相无刷直流电机（BLDC）驱动系统中，PWM控制用于调节电机转速和扭矩。为避免桥臂短路，必须在高低桥切换过程中插入死区。

2. 在逆变器中的应用

在逆变电源（如太阳能逆变器）中，PWM控制高频切换以模拟正弦波输出，死区的设定直接影响波形失真度及系统效率。

3. 在开关电源中的应用

在同步整流电路中，使用MOSFET替代肖特基二极管提升效率，但必须控制上下管之间不同时导通，死区控制至关重要。

五、PWM死区的影响与优化建议

1. 死区对输出波形的影响

• 死区时间过长会导致波形畸变，输出电压降低。

• 死区时间过短则可能引起上下管直通，导致过热甚至炸管。

2. 死区优化方法

• 依据器件数据手册设定最小安全死区

• 利用示波器观察PWM上下桥臂波形进行微调

• 高频应用建议采用高分辨率PWM模块，提升精度

3. 死区补偿技术（Dead Time Compensation）

一些高级控制器（如TI的C2000系列）支持死区补偿功能，可自动调整PWM波形，使输出更接近理想正弦波，减少死区引起的失真。

六、结论

PWM死区作为功率电路中不可或缺的保护机制，对于系统安全稳定运行起着关键作用。合理设计与调试PWM死区时间，可以有效防止上下桥臂导通冲突，避免功率器件损坏，同时提升系统效率与输出波形质量。

随着电力电子技术的不断进步，越来越多的智能控制芯片和驱动器集成了死区控制与补偿功能，为工程师简化设计、提升性能提供了有力工具。因此，在设计PWM控制系统时，深入理解PWM死区的原理与实践方法，具有重要的工程价值。