如何计算IGBT模块的死区时间

计算IGBT模块死区时间

1 引言

在现代工业中，IGBT器件在电压源逆变器中的使用越来越广泛。为了确保可靠地使用IGBT，必须避免出现桥臂直通现象。桥臂直通会产生额外的不必要功耗甚至热失控，可能会导致IGBT甚至整个逆变器出现故障。

IGBT桥臂直通的原因

典型的IGBT一个桥臂拓扑电路如下图所示，正常工作时，两个IGBT交替开通和关断，如果将两个IGBT管同一时间导通将会导致电流的上升，该电流仅受限于IGBT DC-link的杂散电感。

Figure 1 Typical configuration of a voltage source inverter

当然，没有人会故意将两个IGBT同时开通，但由于IGBT并不是一个理想的开关，开通和关断时间并不是严格相同。为了避免桥臂直通，总是推荐添加一个所谓的“互锁延迟时间”或称为“死区时间”到控制机制。这样，一个IGBT总会先关断，另一个在经过期望的死区时间后被开通。因此，可以避免由于不对称的开通和关断时间造成的桥臂直通现象。 死区时间对逆变器工作的影响

死区时间一般有两种，一是控制死区时间，二是有效死区时间。控制死区时间是在控制算法里执行的死区时间，是为了获得器件端合适的有效死区时间，设置控制死区时间的目标是为了确保有效死区时间总是正值。由于实际计算的控制死区时间总是基于最坏的情况，有效死区时间是控制死区时间的重要部分。

死区时间一方面可以避免桥臂直通，另一方面也会带来不利影响。为了阐明死区时间的影响，我们考虑电压源逆变器的一个桥臂，如图2所示。假设首先输出电流的方向如图所示，IGBT管T1从开到关，IGBT管T2经过微弱的死区时间后从关到开。在有效死区时间内，两个管子都在断态，续流二极管D2传导输出电流。因而负边DC link电压施加到输出端，这种转换是被期望的。另一种情况，IGBT管T1从关到开，T2管从开到关，然后，D2仍然在死区时间内传输相同方向的电流。因此输出电压也是负边DC link电压，这种情况是不期望的。结论可概括如下：在有效死区时间内，输出电压由输出电流的方向决定，而不是控制信号。

如果我们考虑图2中相反的电流方向，当T1从开到关，T2从关到开时，将会获得一个电压。所以，应用死区时间通常会使电压和电流产生扭曲。如果我们选择了一个不合适的较大的死区时间，会使感应电机系统变得不稳定，可能会造成一些破坏的情况。因此选择死区时间的过程是非常重要的，应仔细计算。

Figure 2 One leg of voltage source inverter

2 计算合适的死区时间

如上所述，死区时间一方面应该满足避免桥臂直通的要求，另一方面死区时间应尽可能的小以确保电压源逆变器正常工作。所以这里的一大挑战是为专用IGBT器件和IGBT驱动找到一个合适的死区时间。

2.1 死区时间计算基础

对于控制死区时间的计算，我们使用以下公式：

Td_off_max ：最大关断延迟时间。最大关断延迟时间 Td_on_min ：最小导通延迟时间。最小导通延迟时间 Tpdd_max ：driver的最大传播延迟。驱动器最大传输延迟时间 Tpdd_min ：driver的最小传播延迟。驱动器最小传输延迟时间

在这个方程中，第一项 td_off_max-td_on_min 是最大关断延迟时间和最小导通延迟时间的差值。该术语描述了 IGBT 器件本身的特性和所使用的栅极电阻器。由于与延迟时间相比，下降和上升时间通常非常短，因此这里不考虑它们。另一个术语 tpdd_max-tpdd_min 是传播延迟时间差 （延迟时间不匹配），它由驱动程序确定。此参数通常可以在驱动程序制造商的驱动程序数据表中找到。通常，对于基于光耦合器的驱动器，该值为安静高电平。有时，死区时间是根据典型的数据表值乘以现场经验的安全系数计算得出的。此方法在某些情况下有效，但通常不够精确。通过此处显示的测量结果，将提出更精确的方法。

由于 IGBT 数据表仅给出了标准工作条件的典型值，因此需要获得专用驱动条件的最大值。为此，进行了一系列测量，以获得适当的延迟时间值，然后计算死区时间。

2.2 开关及延迟时间定义

开关及延迟时间定义如下：

td_on ：从 Vge 的 10% 到 Ic.

tr ：从 Ic 的 10% 到 Ic 的 90%。

td_off ：从 Vge 的 90% 到 Ic 的 90%。

tf ：从 Ic 的 90% 到 Ic 的 10%。

图 3 开关时间的定义。

2.3 IGBT门极电阻及驱动器输出阻抗的影

门极电阻设置会显著地影响开关延迟时间，一般来说，电阻越大则延迟时间越长。推荐在实际应用的门极电阻条件下测量延迟时间。典型的开关时间对门极电阻的关系图如下图所示：

图 4 开关时间与 Rg @25°C 的关系

图 5 开关时间与 Rg @125°C 的关系

所有测试均使用FP40R12KT3模块进行，栅极电压为 -15V/+15V，直流母线电压为 600V，开关电流为 40A 标称电流。

3 如何减少死区时间

为了正确计算控制死区时间，应考虑专用驱动条件：

l 施加到 IGBT 的栅极电压是多少？

l 选择的栅极电阻值是多少？

l 驱动器具有什么类型的输出级？

根据这些条件，应进行测试，然后可以使用等式 （1） 根据测试结果计算控制死时间。

由于死区时间对逆变器的性能有负面影响，必须最小化，可以采取下面一些措施：

l 选择足够强大的驱动器以吸收或提供IGBT峰值门极电流;

l 使用负电源加速关断;

l 基于更快速的信号传输技术，如无芯变压器技术优于传统光耦技术;

l 如果门极驱动电压使用0V/15V，考虑采用下面描述的独立Rgon/Ggoff。

本文的2.3章中描述了td_off对门极电阻有很强的依赖性，如果Rgoff降低则td_off及死区时间都会减少。英飞凌建议如果施加0V/15V驱动电压，应该降低Rgoff的值至1/3Rgon。下图显示了单独设置Rgon及Rgoff的电路。

图 14 建议栅极电压为 0V/15V 的电路。

应选择 R1 以满足以下关系：

从等式（3）中可以看出，必须满足要求 Rgon>2Rgint 才能获得 R1 的正值。但是，对于某些模块，此要求可能不成立。在这种情况下，可以完全省略 R1。二极管应为肖特基型二极管。0V/15V 栅极电压的另一个非常重要的问题是寄生导通效应。如果使用建议的电路，也可以解决这个问题。