第三章 電動式振動機之數位化控制
3.3 電流控制
3.3.3 空白時間(dead time)影響
iA
iA
Gib contA
v ,
vtri
iA
Current controller
Comparator
圖 3.5 定頻電流控制 PWM 之控制架構
3.3.3 空白時間(dead time)影響
由參考資料[20,30]說明，以單臂反流器來說明空白時間對 PWM 反流器輸出電壓之 影響。如圖 3.6(a)所示，假設開關為理想，則單臂反流器上之二開關可以同時且瞬間一 由 on 至 off，一由 off 至 on。若 mf 夠大，控制電壓vcont在一切換週期內可以視為定值，
理想開關vcont與三角波v ，PWM 比較結果之開關信號如圖 3.6 (b)所示。 tri
考慮開關之非理想性，即其導通與截止過程均需要時間，因此同一臂上二關關切換 時間必須錯開一小段時間，稱為空白時間，以避免二開關同時在非完全導通或截止狀態 下發生短路之情況。空白時間之作法乃將每一開關由 off 至 on 之瞬間往後延遲一時間 tΔ，如圖 3.6 (c)之開關信號所示。此空白時間tΔ大小必須配合開關之切換速度，例如較 快速之 MOSFETs 只要幾個 sμ 即可。
在此空白時間內，二開關同時截止，v 的波形視i 方向而有所變化。圖 3.6 (d)及
圖 3.6 (e)所示分別為iA> 0 與iA< 0 之vAN 波形，其中斜線部份所示為理想開關者。比較
具有及不具有空白時間之瞬時平均（instantaneons average）輸出電壓v 與控制電壓o vcont之關係如圖 3.7 (b)所示。對於vcont為正弦波之單相全橋式 PWM 反流器，其瞬時平 均輸出電壓vo(t)之波形，如圖 3.8 所示，其中負載電流i 乃假設為正弦且落後o vo(t)。由 空白時間所引起在i 電流零交越點時o vo(t)之失真將造成輸出電壓之低頻諧波（如三次、
五次、七次等）。
0
圖 3.7 tΔ對v 的影響 o
實際
理想
圖 3.8 tΔ對正弦波輸出之影響
然而為了讓大家更了解空白時間對開關訊號的特性，本論文特地將四個開關訊號 (TA+、TA-、TB+、TB-)，以及vAN、vBN、v 訊號畫出來，再以理想的開關訊號和具有o 空白時間的開關訊號做比較，以圖 3.9 來做說明，圖 3.9(a)為三角波理想的開關訊號 (iA > 0)，在 mf 夠大，控制電壓vcont在一切換週期內可以視為定值，且 PWM 切換方式 為單極性電壓切換，TA+為v 和tri +vcont訊號比較下的結果，當+vcont大於v 時，TA+為tri
+ 小於 − 訊號比
互為反相。在理想狀態下vAN的 on、off 時間和 TA+相同，所以vAN和 TA+的波形相同，
vBN的 on、off 時間和 TB+相同，所以vBN和 TB+的波形相同，v 的波形則為o vAN-vBN。 圖 3.9(b)為三角波具有空白時間的開關訊號(iA > 0)，在圖上的斜虛線表示空白時 間，同時也表示和圖 3.9(a)的差異性，以方便大家做比較。將圖 3.9(b)的四個開關訊號 (TA+、TA-、TB+、TB-)加上空白時間，即在圖 3.9(a)的四個開關訊號(TA+、TA-、TB+、
TB-)off 到 on 的瞬間往後錯開一小段時間tΔ，如圖 3.9(b)所示，如此的話，就不會有上
vo
vtri
vcont
+ vcont
− 0
+ TA
− TA
+ TB
− TB
vBN
vAN
+ TA
− TA
+ TB
− TB
vtri
vcont
+ vcont
− 0
) (a
) (b vo
vBN
vAN
圖 3.9 三角波開關訊號( >
vtri
0
+ TA
− TA
+ TB
− TB
+ TB
− TB
vtri
0
) (a
) (b vcont
+ vcont
−
vcont
+ vcont
−
+ TA
− TA
vo
vBN
vAN
vo
vBN
vAN
圖 3.10 三角波開關訊號(iA < 0)：(a)理想；(b)具有空白時間
圖 3.11(a)為鋸齒角波理想的開關訊號(iA > 0)，圖 3.11 (b)為鋸齒波具有空白時間 的開關訊號(iA > 0)和圖 3.12(a)為鋸齒角波理想的開關訊號(iA < 0)，圖 3.12 (b)為鋸齒 波具有空白時間的開關訊號(iA < 0)，本論文也將鋸齒波對空白時間的影響拿來做分 析，分析方式如同三角波(圖 3.9、圖 3.10)的分析方式相同，就不再一一陳述。
本論文還將三角波與鋸齒波的電壓輸出訊號模擬圖放上來，如圖 3.13 和圖 3.14，圖 3.13 (a)為三角波電壓輸出訊號模擬圖(iA > 0)，(b)為三角波電壓輸出訊號模擬圖 (iA < 0)。圖 3.14 (a)為鋸齒波電壓輸出訊號模擬圖(iA > 0)，(b)為鋸齒波電壓輸出訊號 模擬圖(iA < 0)。另外將三角波與鋸齒波的電壓輸出訊號實作圖放上來如圖 3.15 和圖 3.16，圖 3.15 (a)為三角波電壓輸出訊號實作圖(iA > 0)，(b)為三角波電壓輸出訊號實作 圖(iA < 0)。圖 3.16 (a)為鋸齒波電壓輸出訊號實作圖(iA > 0)(b)為鋸齒波電壓輸出訊號 實作圖(iA < 0)。而本論文的模擬圖與實作圖的空白時間皆設為1μs。藉由模擬圖和實 作圖的對照，讓大家對空白時間應該了解的更深入。
vtri
vcont
+ vcont
− 0
TA+
− TA
+ TB
TB−
TA+ TA− + TB
TB−
vtri
vcont
+ vcont
− 0
) (a
) (b vo
vBN
vAN
vo
vBN
vAN
圖 3.11 鋸齒波開關訊號(iA > 0)：(a)理想；(b)具有空白時間
vtri
0
+ TA
− TA
+ TB
− TB
+ TA
TA− TB+
− TB
vtri
0
) (a
) (b vcont
+ vcont
−
vcont
+ vcont
− vo
vBN
vAN
vo
vBN
vAN
圖 3.12 鋸齒波開關訊號( <
μs 5 vtri
vcont
+ vcont
−
+ TA
− TA
vAN
vBN
vo
vtri
vcont
+
vcont
−
+ TA
− TA
vAN
vBN
vo
)
(a 5μs
) (b
圖 3.13 三角波電壓輸出訊號模擬圖：(a)iA > 0；(b)iA < 0
μs 5
μs ) 5
(b ) (a vtri
vtri
vcont
+
vcont
− vcont
+ vcont
−
+ TA
+ TA
− TA
− TA
vAN
vAN
vBN
vBN
vo
vo
圖 3.14 鋸齒波電壓輸出訊號模擬圖：(a) > ；(b) <
iA
vAN
vBN
vo
1A
100V
100V
100V
μs 5 iA
vAN
vBN
vo
1A
100V
100V
100V
μs ) 5
(a
) (b
圖 3.15 三角波電壓輸出訊號實作圖：(a)iA > 0；(b)iA < 0
iA
vAN
vBN
vo
μs 5 iA
vAN
vBN
vo
μs ) 5
(a
) (b
圖 3.16 鋸齒波電壓輸出訊號實作圖：(a) > ；(b) <