什么是“死區(qū)時間”？如何減小IGBT的死區(qū)時間

在現(xiàn)代工業(yè)中，采用IGBT器件的電壓源逆變器應(yīng)用越來越多。為了保證可靠的運行，應(yīng)當(dāng)避免橋臂直通。橋臂直通將產(chǎn)生不必要的額外損耗，甚至引起發(fā)熱失控，結(jié)果可能導(dǎo)致器件和整個逆變器被損壞。

下圖畫出了IGBT一個橋臂的典型結(jié)構(gòu)。在正常運行時，兩個IGBT將依次開通和關(guān)斷。如果兩個器件同時導(dǎo)通，則電流急劇上升，此時的電流將僅由直流環(huán)路的雜散電感決定。

圖1 電壓源逆變器的典型結(jié)構(gòu)

當(dāng)然， 沒有誰故意使兩個IGBT同時開通，但是由于IGBT并不是理想開關(guān)器件，其開通時間和關(guān)斷時間不是嚴(yán)格一致的。為了避免IGBT橋臂直通，通常建議在控制策略中加入所謂的“互鎖延時時間”，或者通常叫做“死區(qū)時間”。這意味著其中一個IGBT要首先關(guān)斷，然后在死區(qū)時間結(jié)束時再開通另外一個IGBT，這樣，就能夠避免由開通時間和關(guān)斷時間不對稱造成的直通現(xiàn)象。

1. 死區(qū)時間對逆變器工作的影響

死區(qū)時間一方面可以避免橋臂直通，另一方面也會帶來不利影響。以圖2為例，首先假設(shè)輸出電流按圖示方向流動，而IGBT T1由開通到關(guān)斷，經(jīng)過一小段死區(qū)時間后IGBT T2由關(guān)斷到開通。 在有效死區(qū)時間內(nèi)，兩個開關(guān)管都是關(guān)斷的，且續(xù)流二極管D2流過輸出電流。此時負(fù)的直流電壓加在輸出側(cè)，此時電壓極性符合設(shè)計的要求?？紤]另一種情況，T1由關(guān)斷到開通，而T2由開通到關(guān)斷，此時，由于電流還是沿著同一個方向，這一電流在死區(qū)時間依然流過，因此輸出電壓還是為負(fù)值，此時電壓極性不是設(shè)計希望得到的。結(jié)論可以總結(jié)如下：在有效死區(qū)時間里，輸出電壓由輸出電流決定，而非控制信號。

圖2 電壓源逆變器的一個橋臂

如果我們假設(shè)輸出電流的方向與圖2所示相反，那么當(dāng)T1由開通到關(guān)斷，而T2由關(guān)斷到開通時，也同樣會出現(xiàn)類似上述情況。因此一般情況下，輸出電壓與輸出電流會隨著死區(qū)時間的加入而失真。如果我們選擇過大的死區(qū)時間，對于感應(yīng)電機的情況，系統(tǒng)將會變得不穩(wěn)定。因此， 仔細(xì)計算死區(qū)時間。

本文主要講述如何在實踐中測量IGBT的延遲時間，以及如何根據(jù)測量值正確地計算控制死區(qū)時間。

2. 計算合適的死區(qū)時間

如上所述，選擇死區(qū)時間時，一方面應(yīng)讓它滿足避免橋臂直通的要求，另一方面應(yīng)讓它盡可能地小，以確保電壓源逆變器能正常工作。

2.1 計算死區(qū)時間的方法

我們用下列公式計算控制死區(qū)時間：

其中，

td_off_max：最大關(guān)斷延遲時間。

td_on_min：最小開通延遲時間。

tpdd_max：驅(qū)動器最大傳輸延遲時間。

tpdd_min：驅(qū)動器最小傳輸延遲時間。

1.2：安全裕度。

在該公式中，第一項td_off_max-td_on_min為最大關(guān)斷延遲時間和最小開通延遲時間之差。這一項主要描述IGBT器件結(jié)合所用的門極電阻的特性。由于上升和下降時間通常比延遲時間短很多，這里就不考慮它們。另一項tpdd_max-tpdd_min為由驅(qū)動器決定的傳輸延遲時間之差(延遲時間不匹配)。該參數(shù)通?？稍隍?qū)動器制造商提供的驅(qū)動器數(shù)據(jù)表中查找到。對于基于光耦合器的驅(qū)動器，該參數(shù)值通常很大。

有時可以用典型的數(shù)據(jù)表值乘以來自現(xiàn)場經(jīng)驗的安全系數(shù)來計算死區(qū)時間，但通常不夠準(zhǔn)確。因為IGBT數(shù)據(jù)表只提供標(biāo)準(zhǔn)工況對應(yīng)的典型值，我們有必要獲得特殊驅(qū)動工況對應(yīng)的最大值。為此，必須進(jìn)行一系列測量，以獲得合適的延遲時間值，然后計算死區(qū)時間。

2.2 開關(guān)及延遲時間定義

英飛凌按以下方式定義IGBT的開關(guān)時間：

td_on：從Vge上升10%到Ic上升10%的時間。

tr：從10% Ic到90% Ic的時間。

td_off：從90% Vge到90% Ic的時間。

tf：從90% Ic到10% Ic的時間。

2.3 IGBT門極電阻及驅(qū)動器輸出阻抗的影響

門極電阻設(shè)置會顯著地影響開關(guān)延遲時間。一般來說，電阻越大則延遲時間越長。建議在實際應(yīng)用的專用門極電阻條件下測量延遲時間。典型的開關(guān)時間與門極電阻的關(guān)系圖如下圖所示：

圖4 開關(guān)時間與Rg在25°C時的關(guān)系圖圖5 開關(guān)時間與Rg在125°C時的關(guān)系圖

所有試驗都是用FP40R12KT3模塊進(jìn)行的，門極電壓為-15V/+15V，DC link電壓為600V，開關(guān)電流為標(biāo)稱電流40A[!--empirenews.page--]

2.4 其他參數(shù)對延遲時間的影響

除門極電阻值外，還有其它參數(shù)對延遲時間有顯著影響：

? 集電極電流

? 門極驅(qū)動供電電壓

2.4.1 開通延遲時間

為了估計這一影響，須進(jìn)行一系列測量。先研究開通延遲時間與電流之間的關(guān)系。結(jié)果如下圖所示：

圖6 開通延遲時間與開關(guān)電流Ic的關(guān)系圖

所有試驗采用FP40R12KT3模塊，DC link電壓為600V，門極電阻根據(jù)數(shù)據(jù)表值選擇。

從以上結(jié)果中可以看出，集電極電流Ic發(fā)生變化時，開通延遲時間幾乎保持不變。-15V/+15V的門極電壓下的開通延遲時間，比0V/+15V的門極電壓條件下要長。但該變化很小，且考慮到額外的安全裕量，因此可以忽略不計。

2.4.2 關(guān)斷延遲時間

最大關(guān)斷延遲時間是計算死區(qū)時間時應(yīng)考慮的最重要因素。因為該值幾乎完全決定最終計算的死區(qū)時間是多長。所以我們將詳細(xì)地研究該延遲時間。

要想獲得最大關(guān)斷延遲時間，必須考慮到以下問題：

1. IGBT器件自身產(chǎn)生的開通延遲時間是多少?

2. 如果IGBT的閾值電壓為數(shù)據(jù)手冊中的最小值，那么最大關(guān)斷延遲時間是多少?(這個值反映了模塊間Vth允許的誤差)

3. 驅(qū)動器輸出電平對開關(guān)時間的影響?

4. 雙極晶體管輸出電平的驅(qū)動器有何影響?

考慮以上變量，我們使用FP40R12KT3和視為理想的驅(qū)動器在實驗室對關(guān)斷延遲時間進(jìn)行了測試。測試條件為Vdc=600V，Rg=27?。測試結(jié)果如下圖所示：

關(guān)斷延遲時間與Ic在25°C時的關(guān)系圖關(guān)斷延遲時間與Ic在25°C時的關(guān)系圖

從測試結(jié)果可知，隨著開關(guān)電流Ic的減小，關(guān)斷延遲時間顯著增加。因此僅僅通過選定門極驅(qū)動電阻來簡單地計算死區(qū)時間是不夠精確的。在特定的驅(qū)動條件下測量延遲時間，然后再根據(jù)測量值來計算死區(qū)時間是一個更好且更精確的方法。通常情況下，通過測量1%常規(guī)電流條件下的延遲時間，足以計算需要的死區(qū)時間。

這里還應(yīng)考慮一個問題，即，采用0V/+15V的門極驅(qū)動電壓時，關(guān)斷延遲時間會增加，而且采用0V/+15V的驅(qū)動電壓時，驅(qū)動器輸出電平對開關(guān)時間的影響會更大。這意味著使用0V/+15V驅(qū)動電壓時，需要特別注意對驅(qū)動器的選擇。另外，集電極電流Ic較小時導(dǎo)致td_off增加的問題也需要考慮。

3. 如何減小死區(qū)時間

為了正確計算控制死區(qū)時間，應(yīng)當(dāng)考慮以下驅(qū)動條件：

? 給IGBT施加的門極電壓是多少?

? 選擇的門極電阻值是多少?

? 驅(qū)動器的輸出電平是什么類型?

基于這些條件，可以進(jìn)行延遲時間的測試，然后通過測試結(jié)果，使用公式(1)計算控制死區(qū)時間。由于死區(qū)時間對逆變器的性能有著負(fù)面影響，死區(qū)時間需要減小到最小值?？梢圆捎孟铝袔追N方法：

·采用足夠大的驅(qū)動器來給IGBT門極提供峰值灌拉電流。

·使用負(fù)電壓來加速關(guān)斷。

·最好選擇快速傳遞信號的驅(qū)動器，比如使用基于無磁芯變壓器技術(shù)的驅(qū)動器會好于使用傳統(tǒng)光耦技術(shù)的驅(qū)動器。

·如果選用0V/15V的驅(qū)動電壓，那么應(yīng)該考慮使用獨立的Rgon/Ggoff電阻。

從2.3節(jié)顯示的測量結(jié)果中可以看出，Td_off與門極電阻值有很強的相關(guān)性。如果Rgoff減小，則td_off及死區(qū)時間都會減少。英飛凌建議，在使用0V/15V的門極電壓時，Rgoff值應(yīng)減小至Rgon值的1/3。一種使用獨立的Rgon和Rgoff的電路如下所示：

門極電壓為0V/15V時建議使用的電路

R1的值應(yīng)滿足以下關(guān)系：

從公式中可以看出，要想讓R1為正值，Rgon必須大于2Rgint。但在一些模塊中，這個要求并不可能滿足。這種情況下，R1可以完全忽略。