【大大鱼干的类比电源讲堂】--11. Infineon IGBT 的死区计算

【前言】

在现代工业的各种应用中，经常使用带有功率元器件(MOFET、IGBT…) 当作输出的驱动电路，其中最常见、也最容易造成问题的不外乎就是会上、下交替导通的拓朴—可以是全桥也可以是半桥。

这样的拓朴在上下交替导通的期间，可能会因为各种延迟的关系而产生极为短暂的短路现象，轻则损耗变高、元件发热、效率降低，重则整个装置烧毁。

本文旨在针对IGBT 在高端(HS)与低端(LS)串联的拓朴应用中，计算出适当的开关缓冲区、也就是死区(deadtime)。

 

鱼干我之前有一篇博文:

8.Infineon IGBT的选型与应用之1

https://www.wpgdadatong.com/tw/blog/detail/70496

有说明IGBT 模组的相关选型，本篇借由模组内的单体元件来说明死区的计算:

 

【死区对逆变器(Inverter)的影响】

为了说明死区时间的影响，如下图所示:

假设输出电流先沿图中蓝字所示的方向流动，则 IGBT T1 从ON切换到OFF，而 IGBT 在短暂的死区时间后，T2 从 OFF 切换到 ON。

在有效死区时间内，两个器件都OFF，续流二极管 D2 传导输出电流、继续向输出施加负直流母线电压。

此时需要考虑另一种情况:

T1 从 OFF 切换到 ON，T2 从 ON 切换到 OFF，由于输出电流同向流动，D2 在死区时间内仍导通电流。

此时会造成T1 与T2 有短路的现象，在有效死区时间内，输出电压由输出电流的方向决定，而不是由控制信号决定。 

考虑到输出电流流向与图相反的方向，电压将在T1从ON切换到OFF，T2从OFF切换到ON时出现。

对于电感性的负载(马达)，选择过大的死区时间会导致系统不稳定和灾难性后果，因此，决定适当死区时间的过程是有其必要的。

• 死区的计算(Dead-time calculation)

死区的计算公式如下:

 

• t_{d_off_max} is the maximum turn-off delay time
• t_{d_on_min}, minimum turn-on delay time
• t_{pdd_max}, maximum propagation delay of driver
• t_{pdd_min}, minimum propagation delay of driver
• 1.2 safety margin value to be multiplied(1.2倍的安全馀裕值)

• 开关和延迟时间的定义:

t_d(on): from 10% of V_GE to 10% of I_C

t_r: from 10% of I_C to 90% of I_C 

t_d(off): from 90% of V_GE to 90% of I_C 

t_f: from 90% of I_C to 10% of I_C

  

• 栅极电阻/驱动器输出阻抗的影响

栅极电阻的选择对开关延迟时间有重大影响，一般来说，电阻越高，延迟时间越长。

建议在应用中使用专用栅极电阻来测量延迟时间。

下图分别显示了开关时间与栅极电阻在不同温度下的典型曲线图。

  

• 其他参数对延迟时间的影响

除栅极电阻值外，以下参数对延迟时间也有显著影响：

1. 集电极电流
2. 栅极驱动电源电压 

• 导通延时Turn on delay time

导通延时与集电极电流之间的关系:

• 关断延时Turn off delay time

死区时间计算中最重要的因素是最大关断延迟时间，该值决定了最终计算出的死区时间的完整长度。

要获得最大关断延迟时间，应考虑以下条件:

步骤1:

IGBT器件本身引起的导通延迟时间持续多长时间？

测试是基于实验室的理想驱动板进行的，这意味着它不会导致延迟（最有可能是超大驱动器）。

因此，整个延迟时间都归因于IGBT器件本身，如下图所示:

步骤2

当IGBT的临界值于数据表中的最小值时，最大关断延迟时间是多少？

（这反映了模块之间的 Vth 误差）

连接一个额外的二极管来模拟 Vth 压降，二极管的压降约为 0.7–0.8 V，这与 FP40R12KT3 模块的 Vth 非常相似，如下图所示:

 

步骤3

驱动器输出级如何影响开关时间？

市场上的驱动器分为两类：MOSFET输出和双极晶体管(BJT)输出。

连接一个附加电阻器(Rg)以模拟具有 MOSFET 输出级的驱动器，该电阻被认为是 MOSFET 晶体管的导通电阻 Rds(on)、还有用于模拟 Vth 变化的二极管。

如下图所示:

 

步骤4

具有双极晶体管输出级的驱动器有何影响？

连接一个额外的二极管来模拟输出级中双极晶体管(BJT)的压降，如下图所示:

 

• 死区时间减少

要精确计算控制死区时间，请考虑以下驱动条件：

1. 施加到 IGBT 的栅极电压是多少？
2. 选择的栅极电阻值是多少？
3. 驱动器有什么类型的输出级？

由于死区时间会影响逆变器性能，因此应将其保持在最低限度。 有几种方法可用，下面列出了其中一些：

1. 选择足够强大的驱动器来降低或产生峰值 IGBT 栅极电流
2. 使用负电源加速关断
3. 优先采用基于高速信号传输技术的驱动器，例如磁藕合无线传导技术，而不是传统光耦合器技术的驱动器
4. 将单独的 Rgon/Rgoff 电阻器用于栅极驱动器

如下图所示:

 

本文仅举出了有关于计算死区的几个重要事项与说明，更详细的理论与验证法请参考下列所引用的应用笔记。

<本篇完>

✽以上图文引用自Infineon 官网

参考文献:

Deadtime calculation for IGBT Modules

• AN2007-04:

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Deadtime_calculation_for_IGBT_modules-ApplicationNotes-v01_10-EN.pdf?fileId=db3a30431a5c32f2011a5daefc41005b