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如何正确计算并最大限度减小IGBT的死区时间

1 引言
在现代工业中,采用IGBT器件的电压源逆变器应用越来越多。为了保证可靠地运行,应当避免桥臂直通。桥臂直通将产生不必要的额外损耗,甚至引起发热失控。结果将可能导致IGBT器件和整个逆变器的损坏。
1.1 桥臂直通的原因
下图画出了一个IGBT桥臂的典型结构。在正常运行时,两个IGBT将依次开通和关断。如果两个器件同时导通将导致电流上升,此时的电流将仅仅由直流环的杂散电感限制。
电压源型逆变器的典型结构
图1 电压源型逆变器的典型结构
当然,没有谁故意使两个IGBT同时开通,但是由于IGBT并不是理想开关器件,其开通时间和关断时间不是严格一致的。为了避免IGBT桥臂直通,通常建议在控制策略中加入所谓的互锁延时时间或者更普遍的死区时间。有了这个额外的时区,其中一个IGBT要首先关断,然后在死区时间结束时开通另外一个IGBT,这样,就能够避免由开通时间和关断时间不对称造成的直通现象。
1.2 死区时间对逆变器工作的影响
通常情况下,有两种类型的死区时间,第一种是控制死区时间,而第二种是有效的死区时间。控制死区时间指加入在控制算法中以使得器件获得足够有效的死区时间。设置控制死区时间的目的是为了确保有效死区时间总是足够的。由于计算控制死区时间总是基于最坏的情况考虑,所以有效死区时间占控制死区时间很大的比例。
死区时间一方面可以避免IGBT桥臂直通,但另一方面,它也存在着不利的影响。为了说明死区时间的影响,我们考虑电压源型逆变器的一个桥臂如图2所示。首先假设输出电流按图示方向流动,而IGBT1由开通到关断,IGBT2经过一小段死区时间后由关断到开通。在有效死区时间内,两个开关管都是关断的,且续流二极管D2流过输出电流。此时负的直流电压加在输出侧,此时电压极性符合设计的要求。考虑另一种情况,T1由关断到开通,而T2由开通到关断,此时,由于电流还是沿着同一个方向,这一电流在死区时间依然流过D2,因此输出电压还是为负值,此时电压极性不是设计希望得到的。结论可以总结如下:在有效死区时间里,输出电压由输出电流决定,而非控制信号。
如果我们假设输出电流的方向与图2所示相反,那么当T1由开通到关断,而T2由关断到开通时,也同样类似会出现上述情况的电压。因此一般情况下,输出电压与输出电流会随着死区时间的加入而失真。如果我们选择过大的死区时间,对于感应电机的情况,系统将会变得不稳定而且可能会引起一系统崩溃的严重后果。因此,死区时间的选择是十分重要的且应当仔细计算。
电压源型逆变器的一个桥臂
图2 电压源型逆变器的一个桥臂
这份应用手册将要说明在实际中如何去测量IGBT的延迟时间,并如何根据测量值去计算控制死区时间。
2 计算合适的死区时间
如前所述,死区时间的选择一方面要满足避免IGBT桥臂直通的要求,另一方面应当要尽可能小以确保电压源型逆变器的正确运行。因此这里的一个很大的挑战就是如何为一个专用IGBT和驱动电路找出合适的死区时间。
2.1 计算死区时间的基础
我们使用如下等式计算控制死区时间:
计算控制死区时间
在这个公式中,第一项td_off_max-td_on_min是最大的关断延迟时间与最小的开通延迟时间的差值。这一项描述的是IGBT与所用的门极驱动电阻的特性。由于下降和上升时间通常比延迟时间小很多,这里不考虑它们。另一项tpdd_max-tpdd_min是由驱动电路决定的信号传递时间的差值(延迟时间不匹配)。这个参数正常情况下可以在驱动器厂商的驱动器数据手册中得到。一般对于光耦合驱动器,这个值会比较高。
有时死区时间可以由数据手册提供的典型值计算得到,简单按经验乘以一个安全系数。这个方法在一些场合有用但一般不够精确。因此,此处采用测量值给出一个更加精确的估计方法。
因为IGBT数据手册仅仅给出标准工作情况下的典型值,获得专用驱动场合的最大值是必要的。出于这个目的,为了获得合适的延迟时间并以此计算出死区时间,需要完成一系列的测量。
2.2  开关和延迟时间的定义
由于我们将经常谈到开关和延迟时间,有必要在这里给出一个明确的定义。Infineon公司定义IGBT的开关时间如下:
td_on:由Vge的10%到Ic的10%
tr:由Ic的10%到Ic的90%
td_off:由Vge的90%到Ic的90%
tf:由Ic的90%到Ic的10%
开关时间的定义
图3  开关时间的定义
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