計算IGBT模塊死區(qū)時間

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?？煽康厥褂肐GBT，必須避免出現(xiàn)橋臂直通現(xiàn)象。橋臂直通會產(chǎn)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(xiàn)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(qū)時間”到控制機制。這樣，一個IGBT總會先關斷，另一個在經(jīng)過期望的死區(qū)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(xiàn)象。 死區(qū)時間對逆變器工作的影響

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

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。為了闡明死區(qū)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(jīng)過微弱的死區(qū)時間后從關到開。在有效死區(qū)時間內，兩個管子都在斷態(tài)，續(xù)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(qū)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(qū)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(qū)時間通常會使電壓和電流產(chǎn)生扭曲。如果我們選擇了一個不合適的較大的死區(qū)時間，會使感應電機系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，可能會造成一些破壞的情況。因此選擇死區(qū)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(qū)時間

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

2.1 死區(qū)時間計算基礎

對于控制死區(qū)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(shù)通常可以在驅動程序制造商的驅動程序數(shù)據(jù)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(qū)時間是根據(jù)典型的數(shù)據(jù)表值乘以現(xiàn)場經(jīng)驗的安全系數(shù)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(shù)據(jù)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?shù)难舆t時間值，然后計算死區(qū)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(qū)時間

為了正確計算控制死區(qū)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(jù)這些條件，應進行測試，然后可以使用等式 （1） 根據(jù)測試結果計算控制死時間。

由于死區(qū)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(yōu)于傳統(tǒng)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(qū)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。