- 關(guān)于IGBT死區(qū)時(shí)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(duì)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(huì)在知識(shí)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(shí)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(hào)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致功率開關(guān)元件(如IGBT)的上下橋臂同時(shí)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(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間同樣會(huì)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(dòng)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和效率下降)；太短的死區(qū)時(shí)間，可能引發(fā)功率元件燒毀、炸機(jī)等安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在標(biāo)定過程中，需要精確設(shè)置死區(qū)時(shí)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(diǎn)！

圖片來源：Infineon/SysPro

今天，我們通過對(duì)IGBT手冊(cè)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(gè)平衡點(diǎn)？主要回答幾點(diǎn)問題：什么是死區(qū)時(shí)間？TA逆變器究竟有什么影響？如何精確計(jì)算死區(qū)時(shí)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(shí)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(shí)間對(duì)逆變器工作的影響

3. 如何計(jì)算合適的死區(qū)時(shí)間？（知識(shí)星球發(fā)布）

3.1 計(jì)算死區(qū)時(shí)間的基礎(chǔ)理論

3.2 開關(guān)和延遲時(shí)間的定義及解釋

3.3 門極驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)開關(guān)時(shí)間的影響

3.4 影響延遲時(shí)間的其它因素

3.4.1 開通延遲時(shí)間

3.4.2 關(guān)斷延遲時(shí)間

3.4.3 死區(qū)時(shí)間的計(jì)算案例

3.4.4 死區(qū)時(shí)間計(jì)算值的確認(rèn)

4. 如何減小死區(qū)時(shí)間?（知識(shí)星球發(fā)布）

5. 總結(jié)

注: 本篇為節(jié)選，完整內(nèi)容會(huì)在知識(shí)星球發(fā)布(點(diǎn)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(gè)IGBT橋臂的典型結(jié)構(gòu)。在正常運(yùn)行情況下，兩個(gè)IGBT會(huì)依次開通和關(guān)斷。然而，如果兩個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通，將導(dǎo)致電流急劇上升，此時(shí)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(gè)IGBT同時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)間”或更常見的“死區(qū)時(shí)間”。通過引入這一額外時(shí)區(qū)，確保其中一個(gè)IGBT首先關(guān)斷，然后在死區(qū)時(shí)間結(jié)束時(shí)開通另一個(gè)IGBT，從而避免由于開通和關(guān)斷時(shí)間不對(duì)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(shí)間上的錯(cuò)開，確保兩個(gè)IGBT不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，進(jìn)而保護(hù)電路免受電流沖擊。了解了死區(qū)時(shí)間存在的原因，那么，TA對(duì)逆變器有什么影響呢？

02

死區(qū)時(shí)間對(duì)逆變器工作的影響

通常情況下，死區(qū)時(shí)間可分為兩種：控制死區(qū)時(shí)間和有效死區(qū)時(shí)間。控制死區(qū)時(shí)間指在控制算法中加入的一段時(shí)間，用以確保器件獲得足夠的死區(qū)時(shí)間。設(shè)置控制死區(qū)時(shí)間的目的是為了保證有效死區(qū)時(shí)間總是足夠長(zhǎng)。由于計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間時(shí)是基于最壞的情況考慮，因此有效死區(qū)時(shí)間占控制死區(qū)時(shí)間的比例較大。明確了死區(qū)時(shí)間的兩個(gè)概念，下面我們具體看看，死區(qū)時(shí)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(shí)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(shí)間的影響，我們考慮電壓源型逆變器的一個(gè)橋臂，如下圖所示。假設(shè)輸出電流按圖示方向流動(dòng)，IGBT T1由開通到關(guān)斷，而T2經(jīng)過一小段死區(qū)時(shí)間后由關(guān)斷到開通。在有效死區(qū)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)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(shí)負(fù)的直流電壓加在輸出側(cè)，電壓極性符合設(shè)計(jì)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(shí)電流仍沿同一方向，電流在死區(qū)時(shí)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(jì)要求。一句話總結(jié)下：在有效死區(qū)時(shí)間內(nèi)，輸出電壓由輸出電流決定，而非控制信號(hào)。

圖片來源：Infineon

| SysPro備注，為什么說輸出的是一個(gè)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(shí)，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(dòng)。。在有效死區(qū)時(shí)間內(nèi)，由于兩個(gè)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(dòng)。此時(shí)，輸出電壓由D2的電壓降決定。由于D2反向?qū)ǎ?strong>陽極電壓低于陰極電壓，因此在輸出側(cè)會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)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(jì)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(shí)，也會(huì)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(huì)隨著死區(qū)時(shí)間的加入而失真。若選擇的死區(qū)時(shí)間過長(zhǎng)，對(duì)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(shí)間的選擇十分重要，且應(yīng)仔細(xì)計(jì)算。那么，在實(shí)際中如何測(cè)量IGBT的延遲時(shí)間，并根據(jù)測(cè)量值計(jì)算合適的控制死區(qū)時(shí)間？

圖片來源：SysPro

03

如何計(jì)算合適的死區(qū)時(shí)間？

（知識(shí)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(shí)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(dòng)電路找到適合的死區(qū)時(shí)間是一大挑戰(zhàn)。

圖片來源：ECP白皮書

3.1 計(jì)算死區(qū)時(shí)間的基礎(chǔ)理論

（知識(shí)星球發(fā)布）...

3.2 開關(guān)和延遲時(shí)間的定義及解釋

（知識(shí)星球發(fā)布）

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

|SysPro備注，關(guān)于以上時(shí)間參數(shù)的解釋我們?cè)?jīng)詳細(xì)解釋過，可點(diǎn)擊下文跳轉(zhuǎn)：電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IGBT關(guān)鍵參數(shù)指南 | 開關(guān)特性：柵極電荷、門級(jí)電阻、開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、短路特性

圖片來源：SysPro

3.3 門極驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)開關(guān)時(shí)間的影響

（知識(shí)星球發(fā)布）門極驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)開關(guān)延遲時(shí)間有顯著影響...

3.4 影響延遲時(shí)間的其它因素

（知識(shí)星球發(fā)布）

延遲時(shí)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(dòng)電阻外，集電極電流和門極驅(qū)動(dòng)電壓也對(duì)延遲時(shí)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(shí)間（知識(shí)星球發(fā)布）

為了評(píng)估開通延遲時(shí)間與集電極電流的關(guān)系，Infineon進(jìn)行了一系列測(cè)量。下圖展示了開通延遲時(shí)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(shí)間（知識(shí)星球發(fā)布）

在死區(qū)時(shí)間的計(jì)算中，最大關(guān)斷延遲時(shí)間是關(guān)鍵因素，因?yàn)樗鼛缀鯖Q定了最終計(jì)算出的死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)度...|SysPro備注，在電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)定中，對(duì)于控制器而言有個(gè)重要的標(biāo)定就是死區(qū)時(shí)間標(biāo)定。這一節(jié)也解釋了為什么我們需要死區(qū)時(shí)間標(biāo)定？這是因?yàn)?/strong>...

3.4.3 死區(qū)時(shí)間的計(jì)算案例（知識(shí)星球發(fā)布）

3.4.4 死區(qū)時(shí)間計(jì)算值的確認(rèn)（知識(shí)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(jì)算方程，我們可以利用測(cè)量值來計(jì)算所需的死區(qū)時(shí)間。為了確認(rèn)這一計(jì)算值是否足夠，需要在worst case情況下進(jìn)行測(cè)量和確認(rèn)...

在03開頭我們聊過了，死區(qū)時(shí)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(shí)間充足，那么，如何在此基礎(chǔ)上減小死區(qū)時(shí)間呢？

圖片來源：ECP

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04

如何減小死區(qū)時(shí)間?

（知識(shí)星球發(fā)布）

由于死區(qū)時(shí)間對(duì)逆變器性能有負(fù)面影響，應(yīng)盡可能減小死區(qū)時(shí)間，那么，如何減??？我們從門極電壓、驅(qū)動(dòng)電阻、電平類型角度來講解...

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05 總結(jié)

我們通過對(duì)IGBT手冊(cè)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(diǎn)介紹了死區(qū)時(shí)間的概念、對(duì)逆變器工作的影響以及如何計(jì)算和減小死區(qū)時(shí)間。

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

通過03的公式，我們了解了死區(qū)時(shí)間的計(jì)算方法，并強(qiáng)調(diào)了在實(shí)際應(yīng)用中通過測(cè)量來確認(rèn)計(jì)算值的必要性。為了減小死區(qū)時(shí)間對(duì)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(jì)和性能。以上，希望有所幫助！

圖片來源：SysPro

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以上內(nèi)容為總結(jié)(節(jié)選)，完整解讀、參考資料、技術(shù)報(bào)告在知識(shí)星球「SysPro電力電子技術(shù)」中發(fā)布，歡迎進(jìn)一步查閱、學(xué)習(xí)，希望有所幫助！