計(jì)算IGBT模塊死區(qū)時(shí)間

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)中，IGBT器件在電壓源逆變器中的使用越來越廣泛。為了確保可靠地使用IGBT，必須避免出現(xiàn)橋臂直通現(xiàn)象。橋臂直通會(huì)產(chǎn)生額外的不必要功耗甚至熱失控，可能會(huì)導(dǎo)致IGBT甚至整個(gè)逆變器出現(xiàn)故障。

IGBT橋臂直通的原因

典型的IGBT一個(gè)橋臂拓?fù)潆娐啡缦聢D所示，正常工作時(shí)，兩個(gè)IGBT交替開通和關(guān)斷，如果將兩個(gè)IGBT管同一時(shí)間導(dǎo)通將會(huì)導(dǎo)致電流的上升，該電流僅受限于IGBT DC-link的雜散電感。

Figure 1 Typical configuration of a voltage source inverter

當(dāng)然，沒有人會(huì)故意將兩個(gè)IGBT同時(shí)開通，但由于IGBT并不是一個(gè)理想的開關(guān)，開通和關(guān)斷時(shí)間并不是嚴(yán)格相同。為了避免橋臂直通，總是推薦添加一個(gè)所謂的“互鎖延遲時(shí)間”或稱為“死區(qū)時(shí)間”到控制機(jī)制。這樣，一個(gè)IGBT總會(huì)先關(guān)斷，另一個(gè)在經(jīng)過期望的死區(qū)時(shí)間后被開通。因此，可以避免由于不對(duì)稱的開通和關(guān)斷時(shí)間造成的橋臂直通現(xiàn)象。 死區(qū)時(shí)間對(duì)逆變器工作的影響

死區(qū)時(shí)間一般有兩種，一是控制死區(qū)時(shí)間，二是有效死區(qū)時(shí)間。控制死區(qū)時(shí)間是在控制算法里執(zhí)行的死區(qū)時(shí)間，是為了獲得器件端合適的有效死區(qū)時(shí)間，設(shè)置控制死區(qū)時(shí)間的目標(biāo)是為了確保有效死區(qū)時(shí)間總是正值。由于實(shí)際計(jì)算的控制死區(qū)時(shí)間總是基于最壞的情況，有效死區(qū)時(shí)間是控制死區(qū)時(shí)間的重要部分。

死區(qū)時(shí)間一方面可以避免橋臂直通，另一方面也會(huì)帶來不利影響。為了闡明死區(qū)時(shí)間的影響，我們考慮電壓源逆變器的一個(gè)橋臂，如圖2所示。假設(shè)首先輸出電流的方向如圖所示，IGBT管T1從開到關(guān)，IGBT管T2經(jīng)過微弱的死區(qū)時(shí)間后從關(guān)到開。在有效死區(qū)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)管子都在斷態(tài)，續(xù)流二極管D2傳導(dǎo)輸出電流。因而負(fù)邊DC link電壓施加到輸出端，這種轉(zhuǎn)換是被期望的。另一種情況，IGBT管T1從關(guān)到開，T2管從開到關(guān)，然后，D2仍然在死區(qū)時(shí)間內(nèi)傳輸相同方向的電流。因此輸出電壓也是負(fù)邊DC link電壓，這種情況是不期望的。結(jié)論可概括如下：在有效死區(qū)時(shí)間內(nèi)，輸出電壓由輸出電流的方向決定，而不是控制信號(hào)。

如果我們考慮圖2中相反的電流方向，當(dāng)T1從開到關(guān)，T2從關(guān)到開時(shí)，將會(huì)獲得一個(gè)電壓。所以，應(yīng)用死區(qū)時(shí)間通常會(huì)使電壓和電流產(chǎn)生扭曲。如果我們選擇了一個(gè)不合適的較大的死區(qū)時(shí)間，會(huì)使感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，可能會(huì)造成一些破壞的情況。因此選擇死區(qū)時(shí)間的過程是非常重要的，應(yīng)仔細(xì)計(jì)算。

Figure 2 One leg of voltage source inverter

2 計(jì)算合適的死區(qū)時(shí)間

如上所述，死區(qū)時(shí)間一方面應(yīng)該滿足避免橋臂直通的要求，另一方面死區(qū)時(shí)間應(yīng)盡可能的小以確保電壓源逆變器正常工作。所以這里的一大挑戰(zhàn)是為專用IGBT器件和IGBT驅(qū)動(dòng)找到一個(gè)合適的死區(qū)時(shí)間。

2.1 死區(qū)時(shí)間計(jì)算基礎(chǔ)

對(duì)于控制死區(qū)時(shí)間的計(jì)算，我們使用以下公式：

Td_off_max ：最大關(guān)斷延遲時(shí)間。最大關(guān)斷延遲時(shí)間 Td_on_min ：最小導(dǎo)通延遲時(shí)間。最小導(dǎo)通延遲時(shí)間 Tpdd_max ：driver的最大傳播延遲。驅(qū)動(dòng)器最大傳輸延遲時(shí)間 Tpdd_min ：driver的最小傳播延遲。驅(qū)動(dòng)器最小傳輸延遲時(shí)間

在這個(gè)方程中，第一項(xiàng) td_off_max-td_on_min 是最大關(guān)斷延遲時(shí)間和最小導(dǎo)通延遲時(shí)間的差值。該術(shù)語描述了 IGBT 器件本身的特性和所使用的柵極電阻器。由于與延遲時(shí)間相比，下降和上升時(shí)間通常非常短，因此這里不考慮它們。另一個(gè)術(shù)語 tpdd_max-tpdd_min 是傳播延遲時(shí)間差 （延遲時(shí)間不匹配），它由驅(qū)動(dòng)程序確定。此參數(shù)通常可以在驅(qū)動(dòng)程序制造商的驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)表中找到。通常，對(duì)于基于光耦合器的驅(qū)動(dòng)器，該值為安靜高電平。有時(shí)，死區(qū)時(shí)間是根據(jù)典型的數(shù)據(jù)表值乘以現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的安全系數(shù)計(jì)算得出的。此方法在某些情況下有效，但通常不夠精確。通過此處顯示的測(cè)量結(jié)果，將提出更精確的方法。

由于 IGBT 數(shù)據(jù)表僅給出了標(biāo)準(zhǔn)工作條件的典型值，因此需要獲得專用驅(qū)動(dòng)條件的最大值。為此，進(jìn)行了一系列測(cè)量，以獲得適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間值，然后計(jì)算死區(qū)時(shí)間。

2.2 開關(guān)及延遲時(shí)間定義

開關(guān)及延遲時(shí)間定義如下：

td_on ：從 Vge 的 10% 到 Ic.

tr ：從 Ic 的 10% 到 Ic 的 90%。

td_off ：從 Vge 的 90% 到 Ic 的 90%。

tf ：從 Ic 的 90% 到 Ic 的 10%。

圖 3 開關(guān)時(shí)間的定義。

2.3IGBT門極電阻及驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗的影

門極電阻設(shè)置會(huì)顯著地影響開關(guān)延遲時(shí)間，一般來說，電阻越大則延遲時(shí)間越長(zhǎng)。推薦在實(shí)際應(yīng)用的門極電阻條件下測(cè)量延遲時(shí)間。典型的開關(guān)時(shí)間對(duì)門極電阻的關(guān)系圖如下圖所示：

圖 4 開關(guān)時(shí)間與 Rg @25°C 的關(guān)系

圖 5 開關(guān)時(shí)間與 Rg @125°C 的關(guān)系

所有測(cè)試均使用FP40R12KT3模塊進(jìn)行，柵極電壓為 -15V/+15V，直流母線電壓為 600V，開關(guān)電流為 40A 標(biāo)稱電流。

3 如何減少死區(qū)時(shí)間

為了正確計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間，應(yīng)考慮專用驅(qū)動(dòng)條件：

l 施加到 IGBT 的柵極電壓是多少？

l 選擇的柵極電阻值是多少？

l 驅(qū)動(dòng)器具有什么類型的輸出級(jí)？

根據(jù)這些條件，應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，然后可以使用等式 （1） 根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算控制死時(shí)間。

由于死區(qū)時(shí)間對(duì)逆變器的性能有負(fù)面影響，必須最小化，可以采取下面一些措施：

l 選擇足夠強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器以吸收或提供IGBT峰值門極電流;

l 使用負(fù)電源加速關(guān)斷;

l 基于更快速的信號(hào)傳輸技術(shù)，如無芯變壓器技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)光耦技術(shù);

l 如果門極驅(qū)動(dòng)電壓使用0V/15V，考慮采用下面描述的獨(dú)立Rgon/Ggoff。

本文的2.3章中描述了td_off對(duì)門極電阻有很強(qiáng)的依賴性，如果Rgoff降低則td_off及死區(qū)時(shí)間都會(huì)減少。英飛凌建議如果施加0V/15V驅(qū)動(dòng)電壓，應(yīng)該降低Rgoff的值至1/3Rgon。下圖顯示了單獨(dú)設(shè)置Rgon及Rgoff的電路。

圖 14 建議柵極電壓為 0V/15V 的電路。

應(yīng)選擇 R1 以滿足以下關(guān)系：

從等式（3）中可以看出，必須滿足要求 Rgon>2Rgint 才能獲得 R1 的正值。但是，對(duì)于某些模塊，此要求可能不成立。在這種情況下，可以完全省略 R1。二極管應(yīng)為肖特基型二極管。0V/15V 柵極電壓的另一個(gè)非常重要的問題是寄生導(dǎo)通效應(yīng)。如果使用建議的電路，也可以解決這個(gè)問題。