- 關(guān)于IGBT死區(qū)時間的定義和應(yīng)用解讀- 文字原創(chuàng)，素材來源：Infineon等廠商- 在保證原文內(nèi)容邏輯的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整、進(jìn)行了補(bǔ)充說明，便于理解與應(yīng)用- 本篇為節(jié)選，完整內(nèi)容會在知識星球發(fā)布，歡迎學(xué)習(xí)、交流

導(dǎo)語：電機(jī)控制器標(biāo)定中，功率開關(guān)死區(qū)時間的設(shè)定至關(guān)重要。死區(qū)存在的第一任務(wù)：防止因信號產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致功率開關(guān)元件(如IGBT)的上下橋臂同時導(dǎo)通，造成短路，從而引發(fā)功率元件的燒毀。

但是，TA的意義遠(yuǎn)不止如此。太長的死區(qū)時間同樣會導(dǎo)致電機(jī)性能下降、系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題(引起電流畸變、電壓波動、轉(zhuǎn)矩脈動和效率下降)；太短的死區(qū)時間，可能引發(fā)功率元件燒毀、炸機(jī)等安全風(fēng)險。因此，在標(biāo)定過程中，需要精確設(shè)置死區(qū)時間，以在防止元件損壞、保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和提高控制精度和系統(tǒng)性能之間找到平衡點！

圖片來源：Infineon/SysPro

今天，我們通過對IGBT手冊的學(xué)習(xí)解讀，一起來了解下IGBT橋臂直通的原因及防止策略，看看如何尋找這個平衡點？主要回答幾點問題：什么是死區(qū)時間？TA逆變器究竟有什么影響？如何精確計算死區(qū)時間？與哪些因素相關(guān)？在避免直通的基礎(chǔ)上，通過哪些手段可以有效減小死區(qū)時間，以提升系統(tǒng)性能呢？

圖片來源：SysPro

目錄

1. IGBT橋臂直通的原因及防止策略

2. 死區(qū)時間對逆變器工作的影響

3. 如何計算合適的死區(qū)時間？（知識星球發(fā)布）

3.1 計算死區(qū)時間的基礎(chǔ)理論

3.2 開關(guān)和延遲時間的定義及解釋

3.3 門極驅(qū)動電阻對開關(guān)時間的影響

3.4 影響延遲時間的其它因素

3.4.1 開通延遲時間

3.4.2 關(guān)斷延遲時間

3.4.3 死區(qū)時間的計算案例

3.4.4 死區(qū)時間計算值的確認(rèn)

4. 如何減小死區(qū)時間?（知識星球發(fā)布）

5. 總結(jié)

注: 本篇為節(jié)選，完整內(nèi)容會在知識星球發(fā)布(點擊文末"閱讀原文")

01

IGBT橋臂直通的原因及防止策略

下圖展示了一個IGBT橋臂的典型結(jié)構(gòu)。在正常運(yùn)行情況下，兩個IGBT會依次開通和關(guān)斷。然而，如果兩個器件同時導(dǎo)通，將導(dǎo)致電流急劇上升，此時電流將僅受直流環(huán)節(jié)的雜散電感限制。

圖片來源：Infineon

雖然不存在故意使兩個IGBT同時開通的情況，但由于IGBT并非理想開關(guān)器件，其開通和關(guān)斷時間并不完全一致。為了避免IGBT橋臂直通，通常建議在控制策略中加入所謂的“互鎖延時時間”或更常見的“死區(qū)時間”。通過引入這一額外時區(qū)，確保其中一個IGBT首先關(guān)斷，然后在死區(qū)時間結(jié)束時開通另一個IGBT，從而避免由于開通和關(guān)斷時間不對稱導(dǎo)致的直通現(xiàn)象。

圖片來源：網(wǎng)絡(luò)

| SysPro備注：這種策略的核心在于通過時間上的錯開，確保兩個IGBT不會同時導(dǎo)通，進(jìn)而保護(hù)電路免受電流沖擊。了解了死區(qū)時間存在的原因，那么，TA對逆變器有什么影響呢？

02

死區(qū)時間對逆變器工作的影響

通常情況下，死區(qū)時間可分為兩種：控制死區(qū)時間和有效死區(qū)時間。控制死區(qū)時間指在控制算法中加入的一段時間，用以確保器件獲得足夠的死區(qū)時間。設(shè)置控制死區(qū)時間的目的是為了保證有效死區(qū)時間總是足夠長。由于計算控制死區(qū)時間時是基于最壞的情況考慮，因此有效死區(qū)時間占控制死區(qū)時間的比例較大。明確了死區(qū)時間的兩個概念，下面我們具體看看，死區(qū)時間除了仿真橋臂直通外，是否還有其他的附加影響？死區(qū)時間的作用在于防止IGBT橋臂直通；但另一方面，它也存在不利影響。為了說明死區(qū)時間的影響，我們考慮電壓源型逆變器的一個橋臂，如下圖所示。假設(shè)輸出電流按圖示方向流動，IGBT T1由開通到關(guān)斷，而T2經(jīng)過一小段死區(qū)時間后由關(guān)斷到開通。在有效死區(qū)時間內(nèi)，兩個開關(guān)管都是關(guān)斷的，且續(xù)流二極管D2流過輸出電流，此時負(fù)的直流電壓加在輸出側(cè)，電壓極性符合設(shè)計要求。另一種情況，若T1由關(guān)斷到開通，而T2由開通到關(guān)斷，此時電流仍沿同一方向，電流在死區(qū)時間依然通過D2，輸出電壓仍為負(fù)值，電壓極性不符合設(shè)計要求。一句話總結(jié)下：在有效死區(qū)時間內(nèi)，輸出電壓由輸出電流決定，而非控制信號。

圖片來源：Infineon

| SysPro備注，為什么說輸出的是一個負(fù)的直流電壓？為什么說極性符合要求？這里可能不好理解，我解釋下：

我們可以看到，續(xù)流二極管D2是反向并聯(lián)在開關(guān)管T2上的，當(dāng)T2關(guān)斷時，如果輸出電流方向不變，D2將導(dǎo)通，允許電流繼續(xù)沿原方向流動。。在有效死區(qū)時間內(nèi)，由于兩個開關(guān)管（T1和T2）都處于關(guān)斷狀態(tài)，電流只能通過D2流動。此時，輸出電壓由D2的電壓降決定。由于D2反向?qū)?，?strong>陽極電壓低于陰極電壓，因此在輸出側(cè)會呈現(xiàn)一個負(fù)的直流電壓。我們通過電壓矢量控制電機(jī)按期望運(yùn)轉(zhuǎn)，因此要確保輸出電壓的極性與設(shè)計相匹配，以維持電機(jī)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，因此要確保四驅(qū)區(qū)間輸出電壓、電流符合預(yù)期、不失真。

應(yīng)用筆記：如果我們假設(shè)輸出電流的方向與上圖所示相反，當(dāng)T1由開通到關(guān)斷，而T2由關(guān)斷到開通時，也會出現(xiàn)上述電壓情況。因此，一般情況下，輸出電壓與輸出電流會隨著死區(qū)時間的加入而失真。若選擇的死區(qū)時間過長，對于感應(yīng)電機(jī)等情況，系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定，甚至引起系統(tǒng)崩潰的嚴(yán)重后果。因此，死區(qū)時間的選擇十分重要，且應(yīng)仔細(xì)計算。那么，在實際中如何測量IGBT的延遲時間，并根據(jù)測量值計算合適的控制死區(qū)時間？

圖片來源：SysPro

03

如何計算合適的死區(qū)時間？

（知識星球發(fā)布）為了確保IGBT橋臂避免直通并正常運(yùn)行，死區(qū)時間的選擇至關(guān)重要。這不僅需要滿足避免直通的要求1，還應(yīng)盡可能小，以確保電壓源型逆變器的最佳性能2。因此，為特定IGBT和驅(qū)動電路找到適合的死區(qū)時間是一大挑戰(zhàn)。

圖片來源：ECP白皮書

3.1 計算死區(qū)時間的基礎(chǔ)理論

（知識星球發(fā)布）...

3.2 開關(guān)和延遲時間的定義及解釋

（知識星球發(fā)布）

了解了死區(qū)時間的基本計算理論，我們通過下圖，進(jìn)一步明確下IGBT開關(guān)時間和延遲時間的定義...

|SysPro備注，關(guān)于以上時間參數(shù)的解釋我們曾經(jīng)詳細(xì)解釋過，可點擊下文跳轉(zhuǎn)：電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)IGBT關(guān)鍵參數(shù)指南 | 開關(guān)特性：柵極電荷、門級電阻、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、短路特性

圖片來源：SysPro

3.3 門極驅(qū)動電阻對開關(guān)時間的影響

（知識星球發(fā)布）門極驅(qū)動電阻對開關(guān)延遲時間有顯著影響...

3.4 影響延遲時間的其它因素

（知識星球發(fā)布）

延遲時間是半導(dǎo)體器件開關(guān)過程中的重要參數(shù)，除了門極驅(qū)動電阻外，集電極電流和門極驅(qū)動電壓也對延遲時間有顯著影響。那么，他們是如何影響的呢？又是為什么呢？

3.4.1 開通延遲時間（知識星球發(fā)布）

為了評估開通延遲時間與集電極電流的關(guān)系，Infineon進(jìn)行了一系列測量。下圖展示了開通延遲時間td_on與集電極電流Ic的關(guān)系，其中：...

藍(lán)色線：td_on-15V/15V, 25°C

黃色線：td_on-15V/15V, 125°C

紫色線：td_on0V/15V, 125°C

綠色線：td_on0V/15V, 25°C

3.4.2 關(guān)斷延遲時間（知識星球發(fā)布）

在死區(qū)時間的計算中，最大關(guān)斷延遲時間是關(guān)鍵因素，因為它幾乎決定了最終計算出的死區(qū)時間長度...|SysPro備注，在電驅(qū)動系統(tǒng)標(biāo)定中，對于控制器而言有個重要的標(biāo)定就是死區(qū)時間標(biāo)定。這一節(jié)也解釋了為什么我們需要死區(qū)時間標(biāo)定？這是因為...

3.4.3 死區(qū)時間的計算案例（知識星球發(fā)布）

3.4.4 死區(qū)時間計算值的確認(rèn)（知識星球發(fā)布）

通過前面的討論及入第3.1中提到的死區(qū)計算方程，我們可以利用測量值來計算所需的死區(qū)時間。為了確認(rèn)這一計算值是否足夠，需要在worst case情況下進(jìn)行測量和確認(rèn)...

在03開頭我們聊過了，死區(qū)時間不僅需要滿足避免直通的要求，還應(yīng)盡可能小，以確保電壓源型逆變器的最佳性能。上面我們聊完了如何確保死區(qū)時間充足，那么，如何在此基礎(chǔ)上減小死區(qū)時間呢？

圖片來源：ECP

04

如何減小死區(qū)時間?

（知識星球發(fā)布）

由于死區(qū)時間對逆變器性能有負(fù)面影響，應(yīng)盡可能減小死區(qū)時間，那么，如何減?。课覀儚拈T極電壓、驅(qū)動電阻、電平類型角度來講解...

05 總結(jié)

我們通過對IGBT手冊的學(xué)習(xí)解讀，了解了IGBT橋臂直通的原因及防止策略，重點介紹了死區(qū)時間的概念、對逆變器工作的影響以及如何計算和減小死區(qū)時間。

IGBT橋臂直通由于開關(guān)時間不對稱可能導(dǎo)致電流急劇上升，引入死區(qū)時間是防止直通的有效策略。死區(qū)時間雖能防止直通，但也會對逆變器性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，需要準(zhǔn)確計算死區(qū)時間，考慮IGBT的開關(guān)特性、門極驅(qū)動電阻、驅(qū)動電壓等多種因素。

通過03的公式，我們了解了死區(qū)時間的計算方法，并強(qiáng)調(diào)了在實際應(yīng)用中通過測量來確認(rèn)計算值的必要性。為了減小死區(qū)時間對逆變器性能的負(fù)面影響，給出了一些有效的手段。這些方法有助于優(yōu)化電力電子系統(tǒng)的設(shè)計和性能。以上，希望有所幫助！

圖片來源：SysPro

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