什么是“死區(qū)時(shí)間”？如何減小IGBT的死區(qū)時(shí)間

很多人了解IGBT，但不一定了解“死區(qū)時(shí)間”，什么是“死區(qū)時(shí)間”？“死區(qū)時(shí)間”是在IGBT的控制策略中加入所謂的“互鎖延時(shí)時(shí)間”。

這個(gè)設(shè)定的原因是由于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，如果兩端有電壓，將導(dǎo)致直流電源短路，損壞橋臂功率器件，稱之為“橋臂直通”。這種情況會(huì)導(dǎo)致器件在導(dǎo)通過程中產(chǎn)生不必要的額外損耗，甚至引起發(fā)熱失控，結(jié)果可能導(dǎo)致器件和整個(gè)逆變器被損壞。如下圖：

因此為了保證器件的可靠的運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)避免橋臂直通，“死區(qū)時(shí)間”得以產(chǎn)生。這意味著其中一個(gè)IGBT要首先關(guān)斷，然后在死區(qū)時(shí)間結(jié)束時(shí)再開通另外一個(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。

那需要如何控制“死區(qū)時(shí)間”呢？那我們就需要測(cè)量出IGBT的延遲時(shí)間，以及如何根據(jù)測(cè)量值正確地計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間，一方面應(yīng)讓它滿足避免橋臂直通的要求，另一方面應(yīng)讓它盡可能地小，以確保電壓源逆變器能正常工作。
1.計(jì)算死區(qū)時(shí)間的方法
我們用下列公式計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間：

其中，
td_off_max：關(guān)斷延遲時(shí)間。
td_on_min：開通延遲時(shí)間。
tpdd_max：驅(qū)動(dòng)器傳輸延遲時(shí)間。
tpdd_min：驅(qū)動(dòng)器傳輸延遲時(shí)間。
1.2：安全裕度。
在該公式中，項(xiàng)td_off_max-td_on_min為關(guān)斷延遲時(shí)間和開通延遲時(shí)間之差。這一項(xiàng)主要描述IGBT器件結(jié)合所用的門極電阻的特性。由于上升和下降時(shí)間通常比延遲時(shí)間短很多，這里就不考慮它們。另一項(xiàng)tpdd_max-tpdd_min為由驅(qū)動(dòng)器決定的傳輸延遲時(shí)間之差（延遲時(shí)間不匹配）。該參數(shù)通?？稍隍?qū)動(dòng)器制造商提供的驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)表中查找到。對(duì)于基于光耦合器的驅(qū)動(dòng)器，該參數(shù)值通常很大。
有時(shí)可以用典型的數(shù)據(jù)表值乘以來自現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的安全系數(shù)來計(jì)算死區(qū)時(shí)間，但通常不夠準(zhǔn)確。因?yàn)镮GBT數(shù)據(jù)表只提供標(biāo)準(zhǔn)工況對(duì)應(yīng)的典型值，我們有必要獲得特殊驅(qū)動(dòng)工況對(duì)應(yīng)的值。為此，必須進(jìn)行一系列測(cè)量，以獲得合適的延遲時(shí)間值，然后計(jì)算死區(qū)時(shí)間。
2.2 開關(guān)及延遲時(shí)間定義
按以下方式定義IGBT的開關(guān)時(shí)間：
td_on：從Vge上升10%到Ic上升10%的時(shí)間。
tr：從10% Ic到90% Ic的時(shí)間。
td_off：從90% Vge到90% Ic的時(shí)間。
tf：從90% Ic到10% Ic的時(shí)間。
2.3 IGBT門極電阻及驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗的影響
門極電阻設(shè)置會(huì)顯著地影響開關(guān)延遲時(shí)間。一般來說，電阻越大則延遲時(shí)間越長(zhǎng)。金譽(yù)半導(dǎo)體建議在實(shí)際應(yīng)用的專用門極電阻條件下測(cè)量延遲時(shí)間。典型的開關(guān)時(shí)間與門極電阻的關(guān)系圖如下圖所示：

開關(guān)時(shí)間與Rg在25°C時(shí)的關(guān)系圖

開關(guān)時(shí)間與Rg在125°C時(shí)的關(guān)系圖
所有試驗(yàn)都是用FP40R12KT3模塊進(jìn)行的，門極電壓為-15V/+15V，DC link電壓為600V，開關(guān)電流為標(biāo)稱電流40A
2.4 其他參數(shù)對(duì)延遲時(shí)間的影響
除門極電阻值外，還有其它參數(shù)對(duì)延遲時(shí)間有顯著影響：
a集電極電流
b門極驅(qū)動(dòng)供電電壓
2.4.1 開通延遲時(shí)間
為了估計(jì)這一影響，須進(jìn)行一系列測(cè)量。先研究開通延遲時(shí)間與電流之間的關(guān)系。結(jié)果如下圖所示：

圖6 開通延遲時(shí)間與開關(guān)電流Ic的關(guān)系圖
所有試驗(yàn)采用FP40R12KT3模塊，DC link電壓為600V，門極電阻根據(jù)數(shù)據(jù)表值選擇。
從以上結(jié)果中可以看出，集電極電流Ic發(fā)生變化時(shí)，開通延遲時(shí)間幾乎保持不變。-15V/+15V的門極電壓下的開通延遲時(shí)間，比0V/+15V的門極電壓條件下要長(zhǎng)。但該變化很小，且考慮到額外的安全裕量，因此可以忽略不計(jì)。
2.4.2 關(guān)斷延遲時(shí)間
關(guān)斷延遲時(shí)間是計(jì)算死區(qū)時(shí)間時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。因?yàn)樵撝祹缀跬耆珱Q定終計(jì)算的死區(qū)時(shí)間是多長(zhǎng)。所以我們將詳細(xì)地研究該延遲時(shí)間。
要想獲得關(guān)斷延遲時(shí)間，必須考慮到以下問題：
1. IGBT器件自身產(chǎn)生的開通延遲時(shí)間是多少？
2. 如果IGBT的閾值電壓為數(shù)據(jù)手冊(cè)中的值，那么關(guān)斷延遲時(shí)間是多少？（這個(gè)值反映了模塊間Vth允許的誤差）
3. 驅(qū)動(dòng)器輸出電平對(duì)開關(guān)時(shí)間的影響？
4. 雙極晶體管輸出電平的驅(qū)動(dòng)器有何影響？
考慮以上變量，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=27?。測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

關(guān)斷延遲時(shí)間與Ic在25°C時(shí)的關(guān)系圖關(guān)斷延遲時(shí)間與Ic在25°C時(shí)的關(guān)系圖

從測(cè)試結(jié)果可知，隨著開關(guān)電流Ic的減小，關(guān)斷延遲時(shí)間顯著增加。因此僅僅通過選定門極驅(qū)動(dòng)電阻來簡(jiǎn)單地計(jì)算死區(qū)時(shí)間是不夠的。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)量值來計(jì)算死區(qū)時(shí)間是一個(gè)更好且更的方法。通常情況下，通過測(cè)量1%常規(guī)電流條件下的延遲時(shí)間，足以計(jì)算需要的死區(qū)時(shí)間。
這里還應(yīng)考慮一個(gè)問題，即，采用0V/+15V的門極驅(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的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出電平對(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增加的問題也需要考慮。
3. 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：
a給IGBT施加的門極電壓是多少？
b選擇的門極電阻值是多少？
c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)行延遲時(shí)間的測(cè)試，然后通過測(cè)試結(jié)果，使用公式(1)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)間需要減小到值?？梢圆捎孟铝袔追N方法：
-采用足夠大的驅(qū)動(dòng)器來給IGBT門極提供峰值灌拉電流。
-使用負(fù)電壓來加速關(guān)斷。
-選擇快速傳遞信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器，比如使用基于無磁芯變壓器技術(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/Ggoff電阻。
從2.3節(jié)顯示的測(cè)量結(jié)果中可以看出，Td_off與門極電阻值有很強(qiáng)的相關(guān)性。如果Rgoff減小，則td_off及死區(qū)時(shí)間都會(huì)減少。因此建議，在使用0V/15V的門極電壓時(shí)，Rgoff值應(yīng)減小至Rgon值的1/3。一種使用獨(dú)立的Rgon和Rgoff的電路如下所示：

門極電壓為0V/15V時(shí)建議使用的電路
R1的值應(yīng)滿足以下關(guān)系：
從公式中可以看出，要想讓R1為正值，Rgon必須大于2Rgint。但在一些模塊中，這個(gè)要求并不可能滿足。這種情況下，R1可以完全忽略。

審核編輯黃昊宇