IGBT認(rèn)識(shí)：電力系統(tǒng)的開關(guān)死區(qū)的原理、意義和計(jì)算

一、死區(qū)時(shí)間定義

死區(qū)時(shí)間，也稱為互鎖延時(shí)時(shí)間（互鎖：即互相掣肘，對開關(guān)管來說就是Q1開通時(shí)候，Q2通過結(jié)合Q1控制邏輯必須關(guān)閉），是指高側(cè)（橋臂上管Q1）和低側(cè)（橋臂下管Q2）功率晶體管同時(shí)處于關(guān)閉的時(shí)間段。Q1和Q2的任何重疊導(dǎo)通將導(dǎo)致大電流流過功率管。即我Q1還沒有關(guān)斷，你Q2就來了（開通了），這豈不是很危險(xiǎn)的事。

二、死區(qū)時(shí)間的意義

死區(qū)時(shí)間是保證一個(gè)橋臂（上管Q1和下管Q2）不會(huì)直通的保障條件，這個(gè)死區(qū)時(shí)間一定是根據(jù)正常工作條件下得到的最嚴(yán)酷的值而且會(huì)認(rèn)為添加裕量。

采用IGBT器件的電氣設(shè)備，為了保證可靠地運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)避免橋臂直通。橋臂直通將產(chǎn)生不必要的額外損耗，甚至引起IGBT發(fā)熱失控。其結(jié)果將可能導(dǎo)致IGBT器件和整個(gè)電氣設(shè)備的損壞。

三、死區(qū)時(shí)間設(shè)定的原理

原理還是從這句話開始，“ 我Q1還沒有關(guān)斷，你Q2就來了（開通了），這豈不是很危險(xiǎn)的事 。 ”

波形表示：如果沒有死區(qū)，Q1沒有關(guān)斷，Q2隨即開通，必定導(dǎo)致一個(gè)橋臂上Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，發(fā)生直通，出現(xiàn)大電流，引起極端過熱，極大可能損壞IGBT。

1 、控制死區(qū)時(shí)間公式的原理

控制死區(qū)時(shí)間指加入在控制算法中以使得器件獲得足夠有效的死區(qū)時(shí)間。設(shè)置控制死區(qū)時(shí)間的目的是為了確保有效死區(qū)時(shí)間總是足夠的。 計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間總是基于最壞的情況考慮 。計(jì)算控制死區(qū)公式：

S是安全裕量系數(shù)**，通常可選1.5，這樣死區(qū)時(shí)間的安全裕量為50%，其它參數(shù)參照下面定義。**

上式中，死區(qū)時(shí)間的定義，包含兩部分參數(shù)，其中一部分是IGBT開關(guān)特性決定的，也就是我們測試系統(tǒng)的雙脈沖得到的參數(shù)；另一部分則是代表IGBT驅(qū)動(dòng)器特性，是你選擇的驅(qū)動(dòng)器決定的。

那么為什么會(huì)有如下這樣包含開關(guān)特性參數(shù)的一個(gè)式子？

2 、情況分析

我們接著從下面舉例波形看， Q1我可以存在關(guān)斷最快的情況，那么相對Q2你可以開通快一些 ，這也說明我的系統(tǒng)死區(qū)可以很小。但是實(shí)際狀況中，最惡劣情況就是Q1也會(huì)存在關(guān)斷很慢，那么Q1開通就要慢一些，并且是在最慢的情況，就是我Q1關(guān)斷后，你再來， 那么Q1何時(shí)來對于Q1和Q2直通風(fēng)險(xiǎn)最大，當(dāng)然是你Q2開通最快，也就是開通延時(shí)最小的情況下 ，那么系統(tǒng)預(yù)留的最小死區(qū)就是如下的差值，如下圖示意“灰色”和“紅色”

當(dāng)tdon_min延時(shí)為零時(shí)，這個(gè)值達(dá)到最大， 也就需要我們預(yù)留的控制死區(qū)越大 。

至于tf，是指（電流）下降時(shí)間，這個(gè)對IGBT模塊，尤其是感性負(fù)載，這個(gè)值就較大，看實(shí)際定義波形，關(guān)斷時(shí)，由于感性負(fù)載相對于VCE下降的滯后性，加之IGBT的拖尾電流，死區(qū)也要考慮這個(gè)值。下圖是幾個(gè)時(shí)間的清晰定義。

所以，這個(gè)式子是根據(jù)實(shí)際的一種推導(dǎo)，并非是無根據(jù)的。

3 、參數(shù)定義說明

上面我們提到死區(qū)是開關(guān)特性和驅(qū)動(dòng)器特性共同的結(jié)果，首先第一部分式子是IGBT開關(guān)特性參數(shù)，如下圖定義，這個(gè)定義是開關(guān)管在感性負(fù)載下的定義，可見IGBT模塊手冊說明。

還是搞清楚這幾個(gè)時(shí)間參數(shù)的意義，下面我們加以文字解釋

**tdon:**開通延時(shí)，由柵極電壓VGE的10%到集極電流的10%

tr ：上升時(shí)間，由集極電流Ic的10%到Ic的90%

tdoff ：關(guān)斷延時(shí)，由柵極電壓VGE的90%到集極電流的90%

tf ：下降時(shí)間，由集極電流Ic的90%到Ic的10%

手冊中的參數(shù)測定：

以上參數(shù)定義圖也是根據(jù)IEC-60747-9-2007對開關(guān)特性的定義，這里是感性負(fù)載下對時(shí)間開關(guān)特性的定義

關(guān)斷特性參數(shù)定義

開通特性參數(shù)定義

：

**tdon:**開通延時(shí)，由柵極電壓VGE的10%到集極電流的10%

tr ：上升時(shí)間，由集極電流Ic的10%到Ic的90%

tdoff ：關(guān)斷延時(shí)，由柵極電壓VGE的90%到集極電流的90%

tf ：下降時(shí)間，由集極電流Ic的90%到Ic的10%

驅(qū)動(dòng)電路參數(shù) ，通常通常脈沖變壓器形式的IGBT驅(qū)動(dòng)器，下式中差值基本接近零，可以忽略而對于光耦形式的驅(qū)動(dòng)器，這個(gè)值差異會(huì)大一些，因?yàn)橐粋€(gè)驅(qū)動(dòng)器通常Q1和Q2是對稱的，這兩個(gè)差值依舊表示上管Q1和下管Q2的差值，我們還是把“ 我Q1還沒有關(guān)斷，你Q2就來了，這豈不是很危險(xiǎn)的事 ”，而這里特指由驅(qū)動(dòng)引起的死區(qū)時(shí)間。

驅(qū)動(dòng)電路常用構(gòu)架，信號(hào)經(jīng)過電子器件傳輸后，總會(huì)存在延時(shí)和失真，并且上升和下降的延時(shí)和失真總是不太一樣。 驅(qū)動(dòng)器不帶IGBT工作的情況，稱為驅(qū)動(dòng)器空載 。

例如，如下是某脈沖變壓器傳輸信號(hào)的IGBT驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，這里tPHL_max是驅(qū)動(dòng)器的關(guān)斷延時(shí)tdoff，tPLH_min是指驅(qū)動(dòng)器的開通延時(shí)tdon，具體定義見后面解釋。

如下是某光耦傳輸信號(hào)的IGBT驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，如果只給了典型值，那么對評估死區(qū)時(shí)間意義并不大

其實(shí)光耦傳輸信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器，延時(shí)值的大比重是由光耦引起的，tPHL是指輸出低電平的時(shí)間，這個(gè)其實(shí)就是關(guān)斷延時(shí)

P：代表延時(shí)“Propagation”

H：代表高電平“High”

L：代表低電平“Low”

PHL可以表示為H→L，就高電平向低電平變化，這個(gè)也表述信號(hào)由高變低的過程，正好類似關(guān)斷延時(shí)，只不過驅(qū)動(dòng)器或者光耦定義就用tPHL定義了，同理tPLH則相反，如下是某正邏輯光耦的定義圖。

正邏輯光耦：輸入和輸出電平保持一致，通常是輸入高電平，輸出就是高電平

常見正邏輯光耦：HCPL-3120和HCNW2211

tPHL:邏輯低電平輸出傳輸延時(shí)

tPLH:邏輯高電平輸出傳輸延時(shí)

反邏輯光耦：輸入和輸出電平相反，通常是輸入高電平，輸出就是低電平

常見正邏輯光耦： HCNW2611、6N137、PC817等

四、死區(qū)計(jì)算舉例

某驅(qū)動(dòng)器參數(shù)

IGBT模塊手冊數(shù)據(jù)

不同結(jié)溫下的死區(qū)時(shí)間：

25 ℃**情況下的死區(qū)時(shí)間：**td=[（0.87-0.20+0.2）+（0.5-0.1）]*1.5=1.9us

150 ℃**情況下的死區(qū)時(shí)間：**td=[（0.97-0.21+0.23）+（0.5-0.1）]*1.5=2.1us

為了保證系統(tǒng)可靠，選大死區(qū)的一種結(jié)果

五、總結(jié)

（1）死區(qū)的來源是有依據(jù)可循的，掌握“ Q1還沒有關(guān)斷， Q2就不能開通的原則 ”死區(qū)針對上下管橋臂的直通問題。

**（2）**死區(qū)時(shí)間是多個(gè)參數(shù)的共同結(jié)果，因?yàn)殚_關(guān)參數(shù)本身就是器件結(jié)溫、母線大小和通過電流的變量，需要熟讀器件數(shù)據(jù)手冊。

（3）死區(qū)時(shí)間，不僅關(guān)注實(shí)際開關(guān)特性，同時(shí)也要關(guān)注你選擇的驅(qū)動(dòng)器特性。

（4）結(jié)合實(shí)際死區(qū)的意義理解開關(guān)特性參數(shù)的定義。