【前言】

在現(xiàn)代工業(yè)的各種應(yīng)用中，經(jīng)常使用帶有功率元器件(MOFET、IGBT……) 當(dāng)作輸出的驅(qū)動(dòng)電路，其中最常見、也最容易造成問題的不外乎就是會(huì)上、下交替導(dǎo)通的拓樸—可以是全橋也可以是半橋。

這樣的拓樸在上下交替導(dǎo)通的期間，可能會(huì)因?yàn)楦鞣N延遲的關(guān)系而產(chǎn)生極為短暫的短路現(xiàn)象，輕則損耗變高、元件發(fā)熱、效率降低，重則整個(gè)裝置燒毀。

本文旨在針對IGBT 在高端(HS)與低端(LS)串聯(lián)的拓樸應(yīng)用中，計(jì)算出適當(dāng)?shù)拈_關(guān)緩沖區(qū)、也就是死區(qū)(deadtime)。

本篇借由模組內(nèi)的單體元件來說明死區(qū)的計(jì)算:

【死區(qū)對逆變器(Inverter)的影響】

為了說明死區(qū)時(shí)間的影響，如下圖所示：

假設(shè)輸出電流先沿圖中藍(lán)字所示的方向流動(dòng)，則 IGBT T1 從ON切換到OFF，而 IGBT 在短暫的死區(qū)時(shí)間后，T2 從 OFF 切換到 ON。

在有效死區(qū)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)器件都OFF，續(xù)流二極管 D2 傳導(dǎo)輸出電流、繼續(xù)向輸出施加負(fù)直流母線電壓。

此時(shí)需要考慮另一種情況:

T1 從 OFF 切換到 ON，T2 從 ON 切換到 OFF，由于輸出電流同向流動(dòng)，D2 在死區(qū)時(shí)間內(nèi)仍導(dǎo)通電流。

此時(shí)會(huì)造成T1 與T2 有短路的現(xiàn)象，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，而不是由控制信號決定。

考慮到輸出電流流向與圖相反的方向，電壓將在T1從ON切換到OFF，T2從OFF切換到ON時(shí)出現(xiàn)。

對于電感性的負(fù)載(馬達(dá))，選擇過大的死區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定和災(zāi)難性后果，因此，決定適當(dāng)死區(qū)時(shí)間的過程是有其必要的。

死區(qū)的計(jì)算(Dead-time calculation)

死區(qū)的計(jì)算公式如下:

td_off_max is the maximum turn-off delay time

td_on_min, minimum turn-on delay time

tpdd_max, maximum propagation delay of driver

tpdd_min, minimum propagation delay of driver

1.2 safety margin value to be multiplied(1.2倍的安全馀裕值)

開關(guān)和延遲時(shí)間的定義:

td(on): from 10% of VGE to 10% of IC

tr: from 10% of IC to 90% of IC

td(off): from 90% of VGE to 90% of IC

tf: from 90% of IC to 10% of IC

柵極電阻/驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗的影響

柵極電阻的選擇對開關(guān)延遲時(shí)間有重大影響，一般來說，電阻越高，延遲時(shí)間越長。

建議在應(yīng)用中使用專用柵極電阻來測量延遲時(shí)間。

下圖分別顯示了開關(guān)時(shí)間與柵極電阻在不同溫度下的典型曲線圖。

其他參數(shù)對延遲時(shí)間的影響

除柵極電阻值外，以下參數(shù)對延遲時(shí)間也有顯著影響：

集電極電流

柵極驅(qū)動(dòng)電源電壓

導(dǎo)通延時(shí)Turn on delay time

導(dǎo)通延時(shí)與集電極電流之間的關(guān)系:

關(guān)斷延時(shí)Turn off delay time

死區(qū)時(shí)間計(jì)算中最重要的因素是最大關(guān)斷延遲時(shí)間，該值決定了最終計(jì)算出的死區(qū)時(shí)間的完整長度。

要獲得最大關(guān)斷延遲時(shí)間，應(yīng)考慮以下條件:

步驟1:

IGBT器件本身引起的導(dǎo)通延遲時(shí)間持續(xù)多長時(shí)間？

測試是基于實(shí)驗(yàn)室的理想驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行的，這意味著它不會(huì)導(dǎo)致延遲（最有可能是超大驅(qū)動(dòng)器）。

因此，整個(gè)延遲時(shí)間都?xì)w因于IGBT器件本身，如下圖所示:

步驟2

當(dāng)IGBT的臨界值于數(shù)據(jù)表中的最小值時(shí)，最大關(guān)斷延遲時(shí)間是多少？

（這反映了模塊之間的 Vth 誤差）

連接一個(gè)額外的二極管來模擬 Vth 壓降，二極管的壓降約為 0.7–0.8 V，這與 FP40R12KT3 模塊的 Vth 非常相似，如下圖所示:

步驟3

驅(qū)動(dòng)器輸出級如何影響開關(guān)時(shí)間？

市場上的驅(qū)動(dòng)器分為兩類：MOSFET輸出和雙極晶體管(BJT)輸出。

連接一個(gè)附加電阻器(Rg)以模擬具有 MOSFET 輸出級的驅(qū)動(dòng)器，該電阻被認(rèn)為是 MOSFET 晶體管的導(dǎo)通電阻 Rds(on)、還有用于模擬 Vth 變化的二極管。

如下圖所示:

步驟4

具有雙極晶體管輸出級的驅(qū)動(dòng)器有何影響？

連接一個(gè)額外的二極管來模擬輸出級中雙極晶體管(BJT)的壓降，如下圖所示:

死區(qū)時(shí)間減少

要精確計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間，請考慮以下驅(qū)動(dòng)條件：

施加到 IGBT 的柵極電壓是多少？

選擇的柵極電阻值是多少？

驅(qū)動(dòng)器有什么類型的輸出級？

由于死區(qū)時(shí)間會(huì)影響逆變器性能，因此應(yīng)將其保持在最低限度。有幾種方法可用，下面列出了其中一些：

選擇足夠強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器來降低或產(chǎn)生峰值 IGBT 柵極電流

使用負(fù)電源加速關(guān)斷

優(yōu)先采用基于高速信號傳輸技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器，例如磁藕合無線傳導(dǎo)技術(shù)，而不是傳統(tǒng)光耦合器技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器

將單獨(dú)的 Rgon/Rgoff 電阻器用于柵極驅(qū)動(dòng)器

如下圖所示:

本文僅舉出了有關(guān)于計(jì)算死區(qū)的幾個(gè)重要事項(xiàng)與說明，更詳細(xì)的理論與驗(yàn)證法請參考下列所引用的應(yīng)用筆記。

<本篇完>