单相全桥开关电路中，如何合理设置死区时间以避免直通短路？

Question

在单相全桥开关电路中，如何合理设置死区时间以避免直通短路是一个关键问题。如果上下桥臂开关管同时导通（即发生直通），会导致电源短路，损坏器件。因此，需要设置适当的死区时间，确保一个开关管完全关断后，另一个开关管才开始导通。 常见技术问题：死区时间过长或过短会带来什么影响？ - 死区时间过短可能导致开关管未完全关断就开启另一管，引发直通短路。 - 死区时间过长则会引起输出波形失真，增加谐波和损耗。 合理设置死区时间需综合考虑开关管的关断延迟时间和电路寄生参数，通常通过实验或仿真优化得出最佳值。

Answer 1

1. 死区时间的基本概念

在单相全桥开关电路中，死区时间（Dead Time）是一个关键参数。它是指上下桥臂开关管之间的非重叠时间段，在此期间两个开关管都处于关断状态。合理设置死区时间可以避免直通短路，保护电路中的功率器件。

• 死区时间过短：可能导致开关管未完全关断就开启另一管，引发直通短路。
• 死区时间过长：会引起输出波形失真，增加谐波和损耗。

2. 死区时间的影响分析

为了更好地理解死区时间的作用，我们需要从以下角度进行分析：

1. 开关管的动态特性：每个开关管都有一定的关断延迟时间，这取决于其内部结构和驱动条件。
2. 电路寄生参数：如电感、电容等，这些参数会影响开关管的关断速度。
3. 负载特性：不同的负载对死区时间的要求可能不同。

例如，下表展示了不同死区时间对电路性能的影响：

死区时间 (ns)	直通风险	波形失真	效率损失 (%)
50	高	低	1.2
100	中	中	2.5
150	低	高	4.0

3. 死区时间的优化方法

为了找到最佳的死区时间，通常需要结合实验和仿真进行优化。以下是具体步骤：

1. 选择合适的开关管：根据电路需求选择具有合适开关特性的MOSFET或IGBT。
2. 建立仿真模型：使用仿真工具（如PSpice、MATLAB/Simulink）模拟电路行为。
3. 调整死区时间：逐步改变死区时间，观察输出波形的变化。
4. 验证实验结果：将仿真结果与实际硬件测试对比，进一步优化。

下面是一个简单的流程图，展示如何通过仿真和实验优化死区时间：

graph TD;
            A[开始] --> B[选择开关管];
            B --> C[建立仿真模型];
            C --> D[调整死区时间];
            D --> E[观察波形变化];
            E --> F{是否满足要求?};
            F --是--> G[结束];
            F --否--> D;

4. 实际案例分析

假设我们设计一个工作在100kHz的单相全桥逆变器，使用SiC MOSFET作为开关管。经过初步仿真发现：

• 当死区时间为80ns时，直通风险较低，但输出波形有轻微失真。
• 将死区时间调整为120ns后，波形失真明显改善，但效率略有下降。

最终，通过权衡直通风险和效率损失，选择了100ns作为最佳死区时间。