計算IGBT模塊死區時間

1 引言

在現代工業中，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，必須避免出現橋臂直通現象。橋臂直通會產生額外的不必要功耗甚至熱失控，可能會導致IGBT甚至整個逆變器出現故障。

IGBT橋臂直通的原因

典型的IGBT一個橋臂拓撲電路如下圖所示，正常工作時，兩個IGBT交替開通和關斷，如果將兩個IGBT管同一時間導通將會導致電流的上升，該電流僅受限于IGBT DC-link的雜散電感。

Figure 1 Typical configuration of a voltage source inverter

當然，沒有人會故意將兩個IGBT同時開通，但由于IGBT并不是一個理想的開關，開通和關斷時間并不是嚴格相同。為了避免橋臂直通，總是推薦添加一個所謂的“互鎖延遲時間”或稱為“死區時間”到控制機制。這樣，一個IGBT總會先關斷，另一個在經過期望的死區時間后被開通。因此，可以避免由于不對稱的開通和關斷時間造成的橋臂直通現象。 死區時間對逆變器工作的影響

死區時間一般有兩種，一是控制死區時間，二是有效死區時間。控制死區時間是在控制算法里執行的死區時間，是為了獲得器件端合適的有效死區時間，設置控制死區時間的目標是為了確保有效死區時間總是正值。由于實際計算的控制死區時間總是基于最壞的情況，有效死區時間是控制死區時間的重要部分。

死區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。為了闡明死區時間的影響，我們考慮電壓源逆變器的一個橋臂，如圖2所示。假設首先輸出電流的方向如圖所示，IGBT管T1從開到關，IGBT管T2經過微弱的死區時間后從關到開。在有效死區時間內，兩個管子都在斷態，續流二極管D2傳導輸出電流。因而負邊DC link電壓施加到輸出端，這種轉換是被期望的。另一種情況，IGBT管T1從關到開，T2管從開到關，然后，D2仍然在死區時間內傳輸相同方向的電流。因此輸出電壓也是負邊DC link電壓，這種情況是不期望的。結論可概括如下：在有效死區時間內，輸出電壓由輸出電流的方向決定，而不是控制信號。

如果我們考慮圖2中相反的電流方向，當T1從開到關，T2從關到開時，將會獲得一個電壓。所以，應用死區時間通常會使電壓和電流產生扭曲。如果我們選擇了一個不合適的較大的死區時間，會使感應電機系統變得不穩定，可能會造成一些破壞的情況。因此選擇死區時間的過程是非常重要的，應仔細計算。

Figure 2 One leg of voltage source inverter

2 計算合適的死區時間

如上所述，死區時間一方面應該滿足避免橋臂直通的要求，另一方面死區時間應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是為專用IGBT器件和IGBT驅動找到一個合適的死區時間。

2.1 死區時間計算基礎

對于控制死區時間的計算，我們使用以下公式：

Td_off_max ：最大關斷延遲時間。最大關斷延遲時間 Td_on_min ：最小導通延遲時間。最小導通延遲時間 Tpdd_max ：driver的最大傳播延遲。驅動器最大傳輸延遲時間 Tpdd_min ：driver的最小傳播延遲。驅動器最小傳輸延遲時間

在這個方程中，第一項 td_off_max-td_on_min 是最大關斷延遲時間和最小導通延遲時間的差值。該術語描述了 IGBT 器件本身的特性和所使用的柵極電阻器。由于與延遲時間相比，下降和上升時間通常非常短，因此這里不考慮它們。另一個術語 tpdd_max-tpdd_min 是傳播延遲時間差 （延遲時間不匹配），它由驅動程序確定。此參數通常可以在驅動程序制造商的驅動程序數據表中找到。通常，對于基于光耦合器的驅動器，該值為安靜高電平。有時，死區時間是根據典型的數據表值乘以現場經驗的安全系數計算得出的。此方法在某些情況下有效，但通常不夠精確。通過此處顯示的測量結果，將提出更精確的方法。

由于 IGBT 數據表僅給出了標準工作條件的典型值，因此需要獲得專用驅動條件的最大值。為此，進行了一系列測量，以獲得適當的延遲時間值，然后計算死區時間。

2.2 開關及延遲時間定義

開關及延遲時間定義如下：

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 開關時間的定義。

2.3IGBT門極電阻及驅動器輸出阻抗的影

門極電阻設置會顯著地影響開關延遲時間，一般來說，電阻越大則延遲時間越長。推薦在實際應用的門極電阻條件下測量延遲時間。典型的開關時間對門極電阻的關系圖如下圖所示：

圖 4 開關時間與 Rg @25°C 的關系

圖 5 開關時間與 Rg @125°C 的關系

所有測試均使用FP40R12KT3模塊進行，柵極電壓為 -15V/+15V，直流母線電壓為 600V，開關電流為 40A 標稱電流。

3 如何減少死區時間

為了正確計算控制死區時間，應考慮專用驅動條件：

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 驅動器具有什么類型的輸出級？

根據這些條件，應進行測試，然后可以使用等式 （1） 根據測試結果計算控制死時間。

由于死區時間對逆變器的性能有負面影響，必須最小化，可以采取下面一些措施：

l 選擇足夠強大的驅動器以吸收或提供IGBT峰值門極電流;

l 使用負電源加速關斷;

l 基于更快速的信號傳輸技術，如無芯變壓器技術優于傳統光耦技術;

l 如果門極驅動電壓使用0V/15V，考慮采用下面描述的獨立Rgon/Ggoff。

本文的2.3章中描述了td_off對門極電阻有很強的依賴性，如果Rgoff降低則td_off及死區時間都會減少。英飛凌建議如果施加0V/15V驅動電壓，應該降低Rgoff的值至1/3Rgon。下圖顯示了單獨設置Rgon及Rgoff的電路。

圖 14 建議柵極電壓為 0V/15V 的電路。

應選擇 R1 以滿足以下關系：

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。二極管應為肖特基型二極管。0V/15V 柵極電壓的另一個非常重要的問題是寄生導通效應。如果使用建議的電路，也可以解決這個問題。