參考英飛凌應(yīng)用筆記：AN2007-04
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(lái)越多。為了保證可靠地運(yùn)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)果將可能導(dǎo)致 IGBT 器件和整個(gè)逆變器的損壞。

1. IGBT 橋臂直通的原因

下圖畫出了一個(gè)IGBT 橋臂的典型結(jié)構(gòu)。在正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè) 將依次開通和關(guān)斷。如果兩個(gè)IGBT器件同時(shí)導(dǎo)通將導(dǎo)致電流上升，此時(shí)的電流將僅僅由直流環(huán)的雜散電感限制。

當(dāng)然，沒(méi)有誰(shuí)故意使兩個(gè)IGBT 同時(shí)開通，但是由于IGBT 并不是理想開關(guān)器件，其開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)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(shí)時(shí)間 或者更普遍的 死區(qū)時(shí)間 。

有了這個(gè)額外的時(shí)區(qū)，其中一個(gè)IGBT 要首先關(guān)斷，然后在死區(qū)時(shí)間結(jié)束時(shí)開通另外一個(gè)IGBT ，這樣，就能夠避免由開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間不對(duì)稱造成的直通現(xiàn)象。

2.死區(qū)時(shí)間對(duì)逆變器工作的影響

通常情況下，有兩種類型的死區(qū)時(shí)間，第一種是控制死區(qū)時(shí)間，而第二種是有效的死區(qū)時(shí)間?？刂扑绤^(qū)時(shí)間指加入在控制算法中以使得器件獲得足夠有效的死區(qū)時(shí)間。

設(shè)置控制死區(qū)時(shí)間的目的是為了確保有效死區(qū)時(shí)間總是足夠的。由于計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間總是基于最壞的情況考慮，所以有效死區(qū)時(shí)間占控制死區(qū)時(shí)間很大的比例。

死區(qū)時(shí)間一方面可以避免 IGBT橋臂直通，但另一方面，它也存在著不利的影響。為了說(shuō)明死區(qū)時(shí)間的影響，我們考慮電壓源型逆變器的一個(gè)橋臂如圖 所示。首先假設(shè)輸出電流按圖示方向流動(dòng)，而 IGBT T1由開通到關(guān)斷，IGBT T2經(jīng)過(guò)一小段死區(qū)時(shí)間后由關(guān)斷到開通。 在有效死區(qū)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)開關(guān)管都是關(guān)斷的，且續(xù)流二極管D2 流過(guò)輸出電流。此時(shí)負(fù)的直流電壓加在輸出側(cè)，此時(shí)電壓極性符合設(shè)計(jì)的要求。

考慮另一種情況，T1 由關(guān)斷到開通，而T2由開通到關(guān)斷，此時(shí)，由于電流還是沿著同一個(gè)方向，這一電流在死區(qū)時(shí)間依然流過(guò)D2 ，因此輸出電壓還是為負(fù)值，此時(shí)電壓極性不是設(shè)計(jì)希望得到的。結(jié)論可以總結(jié)如下：在有效死區(qū)時(shí)間里，輸出電壓由輸出電流決定，而非控制信號(hào)。

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(shí)，也同樣類似會(huì)出現(xiàn)上述情況的電壓。因此一般情況下，輸出電壓與輸出電流會(huì)隨著死區(qū)時(shí)間的加入而失真。如果我們選擇過(guò)大的死區(qū)時(shí)間，對(duì)于感應(yīng)電機(jī)的情況，系統(tǒng)將會(huì)變得不穩(wěn)定而且可能會(huì)引起一系統(tǒng)崩潰的嚴(yán)重后果 。因此，死區(qū)時(shí)間的選擇是十分重要的且應(yīng)當(dāng)仔細(xì)計(jì)算。

3.計(jì)算死去時(shí)間的基礎(chǔ)

如前所述，死區(qū)時(shí)間的選擇一方面要滿足避免 IGBT橋臂直通的要求，另一方面應(yīng)當(dāng)要盡可能小以確保電壓源型逆變器的正確運(yùn)行。因此這里的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)就是如何為一個(gè)專用 IGBT和驅(qū)動(dòng)電路找出合適的死區(qū)時(shí)間。
我們可以使用如下公式計(jì)算死去時(shí)間：


在這個(gè)公式中，第一項(xiàng)td_off_max 是最大的關(guān)斷延遲時(shí)間與最小的開通延遲時(shí)間的差值 。這一項(xiàng)描述的是IGBT 與所用的門極驅(qū)動(dòng)電阻的特性。

由于下降和上升時(shí)間通常比延遲時(shí)間小很多，這里不考慮它們。另一項(xiàng) tpdd_max-tpdd_min是由驅(qū)動(dòng)電路決定的信號(hào)傳遞時(shí)間的差值（延遲時(shí)間不匹配）。這個(gè)參數(shù)正常情況下可以在驅(qū)動(dòng)器廠商的驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)手冊(cè)中得到。一般對(duì)于光耦合驅(qū)動(dòng)器，這個(gè)值會(huì)比較高。

有時(shí)死區(qū)時(shí)間可以由數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的典型值計(jì)算得到，簡(jiǎn)單按經(jīng)驗(yàn)乘以一個(gè)安全系數(shù)。這個(gè)方法在一些場(chǎng)合有用但一般不夠精確。因此，此處采用測(cè)量值給出一個(gè)更加精確的估計(jì)方法。

因?yàn)?IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)僅僅給出標(biāo)準(zhǔn)工作情況下的典型值，獲得專用驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合的最大值是必要的。出于這個(gè)目的，
為了獲得合適的延遲時(shí)間并以此計(jì)算出死區(qū)時(shí)間，需要完成一系列的測(cè)量。

4. 開關(guān)和延遲時(shí)間的定義

由于我們將經(jīng)常談到開關(guān)和延遲時(shí)間，有必要在這里給出一個(gè)明確的定義。英飛凌 公司定義 IGBT的開關(guān)時(shí)間如下：

5.門級(jí)驅(qū)動(dòng)電阻/驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗的影響

門極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇將對(duì)開關(guān)延遲時(shí)間產(chǎn)生明顯的影響。一般來(lái)講，電阻越大，延遲時(shí)間越長(zhǎng)。建議在應(yīng)用中對(duì)專用的門極驅(qū)動(dòng)電阻的延遲時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。一個(gè)典型的開關(guān)時(shí)間 VS門極驅(qū)動(dòng)電阻的圖形如圖所示：

這里所有的測(cè)試均使用 FP40R12KT3模塊，門極驅(qū)動(dòng)電壓為±15V ，直流側(cè)電壓為600V ，開關(guān)電流為額定40A電流 。

6.影響延遲時(shí)間的其他因素

除了門極驅(qū)動(dòng)電阻，還有其它因素對(duì)延遲時(shí)間有顯著的影響：
? 集電極電流；
? 門極驅(qū)動(dòng)電壓。

6.1 開通延遲時(shí)間

為了估計(jì)這個(gè)關(guān)系，要進(jìn)行一系列的測(cè)量。首先對(duì)開通延遲時(shí)間與集電極電流的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示如下：

所有的測(cè)試均使用 FP10R12KT3模塊，直流側(cè)電壓為600V ，門極驅(qū)動(dòng)電阻根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)選擇。

從上面的測(cè)試結(jié)果可知，隨著集電極電流 的變化，開通延遲時(shí)間幾乎為固定值。使用 ±15V的門極驅(qū)動(dòng)電壓，開通延遲時(shí)間比使用0V/+15V 的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)得長(zhǎng) 。進(jìn)一步計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間時(shí)，由于這個(gè)影響很小甚至它還可以提供一定裕量，因此集電極電流對(duì)延遲時(shí)間的影響可以忽略不計(jì)。

6.2 關(guān)斷延遲時(shí)間

在死區(qū)時(shí)間的計(jì)算當(dāng)中，最重要的因素是最大關(guān)斷延遲時(shí)間。因?yàn)檫@個(gè)數(shù)值幾乎決定最終計(jì)算出來(lái)的死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)度。所有我們將對(duì)這一延遲時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)分析。
為了獲得最大的關(guān)斷延遲時(shí)間，要進(jìn)行以下分析：

由IGBT 本身引起的開通延遲時(shí)間是多長(zhǎng)、會(huì)引起什么？

為了回答這個(gè)問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)室使用一塊測(cè)試IGBT 特性用的電路驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行了以下測(cè)試。將這個(gè)電路驅(qū)動(dòng)板看做一個(gè)理想的驅(qū)動(dòng)器，這意味著這個(gè)驅(qū)動(dòng)器并不產(chǎn)生延遲（這對(duì)于一個(gè)帶載能力足夠大的驅(qū)動(dòng)板，是完全可能的），因此所有的延遲時(shí)間可以看做是由IGBT 本身引起的。以下電路圖顯示了測(cè)試結(jié)構(gòu)：

如果IGBT 的閾值電壓為數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最小值，那么最大關(guān)斷延遲時(shí)間指的是什么？（這個(gè)值反映了模塊間允許的誤差）

為了解答這個(gè)問(wèn)題，接入一個(gè)額外的二極管來(lái)減小 Vth的值。二極管的電壓降約為0.7-0.8V ，這與FP40R12KT3
模塊的 Vth變化十分相似。下列電路圖顯示了測(cè)試原理：

驅(qū)動(dòng)器輸出電平對(duì)開關(guān)時(shí)間有何影響？
為了回答這個(gè)具體的問(wèn)題，我們將市面上的驅(qū)動(dòng)器分成兩種，一種是為MOSFET 輸出電平，另一種為雙極晶體管輸出電平。我們對(duì)每一種分別進(jìn)行了測(cè)量。

為了模擬MOSFET 輸出電平的驅(qū)動(dòng)器，接入另一個(gè)額外的電阻，并將其當(dāng)成 MOSFET的導(dǎo)通電阻RDSon 。保留模
擬 Vth變化的二極管。下列電路圖顯示了測(cè)試原理：

雙極晶體管輸出電平的驅(qū)動(dòng)器有何影響？
為了解答這個(gè)問(wèn)題，接入一個(gè)額外的二極管，以模擬雙極晶體管的電壓降。下列電路圖顯示出測(cè)試原理：

通過(guò)采用以上電路，我們使用FP40R12KT3 和視為理想的驅(qū)動(dòng)器在實(shí)驗(yàn)室對(duì)關(guān)斷延遲時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試條
件為Vdc=600V，Rg=27R 測(cè)試結(jié)果顯示在以下兩張圖中：

從測(cè)試結(jié)果可知，隨著開關(guān)電流 的減小，關(guān)斷延遲時(shí)間顯著增加。因此僅僅通過(guò)選定門極驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)算死區(qū)時(shí)間是不夠精確的。在特定的驅(qū)動(dòng)條件下測(cè)量延遲時(shí)間，然后再根據(jù)測(cè)量值來(lái)計(jì)算死區(qū)時(shí)間是一個(gè)更好且更精確的方法。通常情況下，測(cè)量到 1%的額定電流時(shí)就足夠?qū)λ璧乃绤^(qū)時(shí)間的計(jì)算有充分的估算。

這里要考慮的另一點(diǎn)是，采用0V/15V 的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)關(guān)斷延遲時(shí)間會(huì)增加，而且采用0V/15V 驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)對(duì)開關(guān)時(shí)間的影響會(huì)更大。這意味著使用0V/15V 驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，需要特別注意對(duì)驅(qū)動(dòng)器的選擇。另外，集電極電流Ic較小時(shí)導(dǎo)致td_off 的增加也需要考慮。

7.死區(qū)時(shí)間計(jì)算值校驗(yàn)

通過(guò)以上討論及 節(jié)給出的方程，現(xiàn)在可以根據(jù)以上的測(cè)量值來(lái)計(jì)算所需的死區(qū)時(shí)間。使用計(jì)算出的死區(qū)時(shí)間，需要進(jìn)行最壞情況下的測(cè)量來(lái)驗(yàn)算死區(qū)時(shí)間的計(jì)算值是否足夠。

從測(cè)量中可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)斷延遲時(shí)間隨著溫度的增加而增加?；谶@個(gè)原因，分別在低溫和高溫條件下進(jìn)行測(cè)試是比較好的。

測(cè)試?yán)拥脑韴D如下圖所示：

下管的IGBT 需要開通和關(guān)斷，上管的 IGBT也一樣。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖之間的時(shí)間間隔需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整到死區(qū)時(shí)間的計(jì)算值。這樣就能夠測(cè)量出的直流環(huán)的負(fù)電流，且如果死區(qū)時(shí)間足夠，就應(yīng)該觀察不到直通電流。

由于沒(méi)有電流同時(shí)通過(guò)兩個(gè)IGBT ，上面給出的測(cè)試代表了死區(qū)時(shí)間計(jì)算所需的最惡劣情況。由關(guān)斷延遲時(shí)間的討論可知，死區(qū)時(shí)間會(huì)隨著集電極電流的減小而增加，因此在沒(méi)有電流流通的情況下，關(guān)斷延遲時(shí)間要為最大值，這導(dǎo)致需要最大的死區(qū)時(shí)間。如果在零集電極電流下沒(méi)有直通電流，那么選擇的死區(qū)時(shí)間就是充足的。

8.如何減小死區(qū)時(shí)間

為了正確計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間，應(yīng)當(dāng)考慮以下驅(qū)動(dòng)條件：
? 加到IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電壓是多少？
? 門極驅(qū)動(dòng)電阻阻值是多少？
? 驅(qū)動(dòng)器的輸出電平是什么類型？
基于這些條件，可以進(jìn)行測(cè)試，然后通過(guò)測(cè)試結(jié)果，使用公式計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間。

由于死區(qū)時(shí)間對(duì)逆變器的性能有著負(fù)面影響，死區(qū)時(shí)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(dòng)器來(lái)給IGBT 門極的提供峰值灌拉電流。
? 使用負(fù)電壓來(lái)加速關(guān)斷。
? 最好選擇快速傳遞信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器，比如使用基于無(wú)磁芯變壓器技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器會(huì)好于使用傳統(tǒng)光耦技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器。
如果選用 0V/15V的驅(qū)動(dòng)電壓，那么應(yīng)該考慮使用獨(dú)立的 Rgon/Rgoff電阻。如下所述：

二極管應(yīng)該選用肖特基二極管。

使用 0V/15V驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，另一個(gè)非常重要的一點(diǎn)是寄生開通效應(yīng)。如果使用我們推薦的電路，這個(gè)問(wèn)題也可以得到解決。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-759937.html

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