【前言】
在現(xiàn)代工業(yè)的各種應(yīng)用中,經(jīng)常使用帶有功率元器件(MOFET、IGBT……) 當(dāng)作輸出的驅(qū)動(dòng)電路,其中最常見、也最容易造成問題的不外乎就是會(huì)上、下交替導(dǎo)通的拓樸—可以是全橋也可以是半橋。
這樣的拓樸在上下交替導(dǎo)通的期間,可能會(huì)因?yàn)楦鞣N延遲的關(guān)系而產(chǎn)生極為短暫的短路現(xiàn)象,輕則損耗變高、元件發(fā)熱、效率降低,重則整個(gè)裝置燒毀。
本文旨在針對(duì)IGBT 在高端(HS)與低端(LS)串聯(lián)的拓樸應(yīng)用中,計(jì)算出適當(dāng)?shù)拈_關(guān)緩沖區(qū)、也就是死區(qū)(deadtime)。
本篇借由模組內(nèi)的單體元件來說明死區(qū)的計(jì)算:
【死區(qū)對(duì)逆變器(Inverter)的影響】
為了說明死區(qū)時(shí)間的影響,如下圖所示:
假設(shè)輸出電流先沿圖中藍(lán)字所示的方向流動(dòng),則 IGBT T1 從ON切換到OFF,而 IGBT 在短暫的死區(qū)時(shí)間后,T2 從 OFF 切換到 ON。
在有效死區(qū)時(shí)間內(nèi),兩個(gè)器件都OFF,續(xù)流二極管 D2 傳導(dǎo)輸出電流、繼續(xù)向輸出施加負(fù)直流母線電壓。
此時(shí)需要考慮另一種情況:
T1 從 OFF 切換到 ON,T2 從 ON 切換到 OFF,由于輸出電流同向流動(dòng),D2 在死區(qū)時(shí)間內(nèi)仍導(dǎo)通電流。
此時(shí)會(huì)造成T1 與T2 有短路的現(xiàn)象,在有效死區(qū)時(shí)間內(nèi),輸出電壓由輸出電流的方向決定,而不是由控制信號(hào)決定。
考慮到輸出電流流向與圖相反的方向,電壓將在T1從ON切換到OFF,T2從OFF切換到ON時(shí)出現(xiàn)。
對(duì)于電感性的負(fù)載(馬達(dá)),選擇過大的死區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定和災(zāi)難性后果,因此,決定適當(dāng)死區(qū)時(shí)間的過程是有其必要的。
死區(qū)的計(jì)算(Dead-time calculation)
死區(qū)的計(jì)算公式如下:
td_off_max is the maximum turn-off delay time
td_on_min, minimum turn-on delay time
tpdd_max, maximum propagation delay of driver
tpdd_min, minimum propagation delay of driver
1.2 safety margin value to be multiplied(1.2倍的安全馀裕值)
開關(guān)和延遲時(shí)間的定義:
td(on): from 10% of VGE to 10% of IC
tr: from 10% of IC to 90% of IC
td(off): from 90% of VGE to 90% of IC
tf: from 90% of IC to 10% of IC
柵極電阻/驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗的影響
柵極電阻的選擇對(duì)開關(guān)延遲時(shí)間有重大影響,一般來說,電阻越高,延遲時(shí)間越長。
建議在應(yīng)用中使用專用柵極電阻來測量延遲時(shí)間。
下圖分別顯示了開關(guān)時(shí)間與柵極電阻在不同溫度下的典型曲線圖。
其他參數(shù)對(duì)延遲時(shí)間的影響
除柵極電阻值外,以下參數(shù)對(duì)延遲時(shí)間也有顯著影響:
集電極電流
導(dǎo)通延時(shí)Turn on delay time
導(dǎo)通延時(shí)與集電極電流之間的關(guān)系:
關(guān)斷延時(shí)Turn off delay time
死區(qū)時(shí)間計(jì)算中最重要的因素是最大關(guān)斷延遲時(shí)間,該值決定了最終計(jì)算出的死區(qū)時(shí)間的完整長度。
要獲得最大關(guān)斷延遲時(shí)間,應(yīng)考慮以下條件:
步驟1:
IGBT器件本身引起的導(dǎo)通延遲時(shí)間持續(xù)多長時(shí)間?
測試是基于實(shí)驗(yàn)室的理想驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行的,這意味著它不會(huì)導(dǎo)致延遲(最有可能是超大驅(qū)動(dòng)器)。
因此,整個(gè)延遲時(shí)間都?xì)w因于IGBT器件本身,如下圖所示:
步驟2
當(dāng)IGBT的臨界值于數(shù)據(jù)表中的最小值時(shí),最大關(guān)斷延遲時(shí)間是多少?
(這反映了模塊之間的 Vth 誤差)
連接一個(gè)額外的二極管來模擬 Vth 壓降,二極管的壓降約為 0.7–0.8 V,這與 FP40R12KT3 模塊的 Vth 非常相似,如下圖所示:
步驟3
驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)如何影響開關(guān)時(shí)間?
市場上的驅(qū)動(dòng)器分為兩類:MOSFET輸出和雙極晶體管(BJT)輸出。
連接一個(gè)附加電阻器(Rg)以模擬具有 MOSFET 輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)器,該電阻被認(rèn)為是 MOSFET 晶體管的導(dǎo)通電阻 Rds(on)、還有用于模擬 Vth 變化的二極管。
如下圖所示:
步驟4
具有雙極晶體管輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)器有何影響?
連接一個(gè)額外的二極管來模擬輸出級(jí)中雙極晶體管(BJT)的壓降,如下圖所示:
死區(qū)時(shí)間減少
要精確計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間,請(qǐng)考慮以下驅(qū)動(dòng)條件:
施加到 IGBT 的柵極電壓是多少?
選擇的柵極電阻值是多少?
驅(qū)動(dòng)器有什么類型的輸出級(jí)?
由于死區(qū)時(shí)間會(huì)影響逆變器性能,因此應(yīng)將其保持在最低限度。有幾種方法可用,下面列出了其中一些:
選擇足夠強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器來降低或產(chǎn)生峰值 IGBT 柵極電流
使用負(fù)電源加速關(guān)斷
優(yōu)先采用基于高速信號(hào)傳輸技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器,例如磁藕合無線傳導(dǎo)技術(shù),而不是傳統(tǒng)光耦合器技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器
將單獨(dú)的 Rgon/Rgoff 電阻器用于柵極驅(qū)動(dòng)器
如下圖所示:
本文僅舉出了有關(guān)于計(jì)算死區(qū)的幾個(gè)重要事項(xiàng)與說明,更詳細(xì)的理論與驗(yàn)證法請(qǐng)參考下列所引用的應(yīng)用筆記。
<本篇完>
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