【大大魚乾的類比電源講堂】--11. Infineon IGBT 的死區計算

【前言】

在現代工業的各種應用中，經常使用帶有功率元器件(MOFET、IGBT…) 當作輸出的驅動電路，其中最常見、也最容易造成問題的不外乎就是會上、下交替導通的拓樸—可以是全橋也可以是半橋。

這樣的拓樸在上下交替導通的期間，可能會因為各種延遲的關係而產生極為短暫的短路現象，輕則損耗變高、元件發熱、效率降低，重則整個裝置燒毀。

本文旨在針對IGBT 在高端(HS)與低端(LS)串聯的拓樸應用中，計算出適當的開關緩衝區、也就是死區(deadtime)。

 

魚乾我之前有一篇博文:

8.Infineon IGBT的選型與應用之1

https://www.wpgdadatong.com/tw/blog/detail/70496

有說明IGBT 模組的相關選型，本篇藉由模組內的單體元件來說明死區的計算:

 

【死區對逆變器(Inverter)的影響】

為了說明死區時間的影響，如下圖所示:

假設輸出電流先沿圖中藍字所示的方向流動，則 IGBT T1 從ON切換到OFF，而 IGBT 在短暫的死區時間後，T2 從 OFF 切換到 ON。

在有效死區時間內，兩個器件都OFF，續流二極管 D2 傳導輸出電流、繼續向輸出施加負直流母線電壓。

此時需要考慮另一種情況:

T1 從 OFF 切換到 ON，T2 從 ON 切換到 OFF，由於輸出電流同向流動，D2 在死區時間內仍導通電流。

此時會造成T1 與T2 有短路的現象，在有效死區時間內，輸出電壓由輸出電流的方向決定，而不是由控制信號決定。 

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時出現。

對於電感性的負載(馬達)，選擇過大的死區時間會導致系統不穩定和災難性後果，因此，決定適當死區時間的過程是有其必要的。

• 死區的計算(Dead-time calculation)

死區的計算公式如下:

 

• t_{d_off_max} is the maximum turn-off delay time
• t_{d_on_min}, minimum turn-on delay time
• t_{pdd_max}, maximum propagation delay of driver
• t_{pdd_min}, minimum propagation delay of driver
• 1.2 safety margin value to be multiplied(1.2倍的安全餘裕值)

• 開關和延遲時間的定義:

t_d(on): from 10% of V_GE to 10% of I_C

t_r: from 10% of I_C to 90% of I_C 

t_d(off): from 90% of V_GE to 90% of I_C 

t_f: from 90% of I_C to 10% of I_C

  

• 柵極電阻/驅動器輸出阻抗的影響

柵極電阻的選擇對開關延遲時間有重大影響，一般來說，電阻越高，延遲時間越長。

建議在應用中使用專用柵極電阻來測量延遲時間。

下圖分別顯示了開關時間與柵極電阻在不同溫度下的典型曲線圖。

  

• 其他參數對延遲時間的影響

除柵極電阻值外，以下參數對延遲時間也有顯著影響：

1. 集電極電流
2. 柵極驅動電源電壓 

• 導通延時Turn on delay time

導通延時與集電極電流之間的關係:

• 關斷延時Turn off delay time

死區時間計算中最重要的因素是最大關斷延遲時間，該值決定了最終計算出的死區時間的完整長度。

要獲得最大關斷延遲時間，應考慮以下條件:

步驟1:

IGBT器件本身引起的導通延遲時間持續多長時間？

測試是基於實驗室的理想驅動板進行的，這意味著它不會導致延遲（最有可能是超大驅動器）。

因此，整個延遲時間都歸因於IGBT器件本身，如下圖所示:

步驟2

當IGBT的臨界值於數據表中的最小值時，最大關斷延遲時間是多少？

（這反映了模塊之間的 Vth 誤差）

連接一個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

驅動器輸出級如何影響開關時間？

市場上的驅動器分為兩類：MOSFET輸出和雙極晶體管(BJT)輸出。

連接一個附加電阻器(Rg)以模擬具有 MOSFET 輸出級的驅動器，該電阻被認為是 MOSFET 晶體管的導通電阻 Rds(on)、還有用於模擬 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的驅動器有何影響？

連接一個額外的二極管來模擬輸出級中雙極晶體管(BJT)的壓降，如下圖所示:

 

• 死區時間減少

要精確計算控制死區時間，請考慮以下驅動條件：

1. 施加到 IGBT 的柵極電壓是多少？
2. 選擇的柵極電阻值是多少？
3. 驅動器有什麼類型的輸出級？

由於死區時間會影響逆變器性能，因此應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：

1. 選擇足夠強大的驅動器來降低或產生峰值 IGBT 柵極電流
2. 使用負電源加速關斷
3. 優先採用基於高速信號傳輸技術的驅動器，例如磁藕合無線傳導技術，而不是傳統光耦合器技術的驅動器
4. 將單獨的 Rgon/Rgoff 電阻器用於柵極驅動器

如下圖所示:

 

本文僅舉出了有關於計算死區的幾個重要事項與說明，更詳細的理論與驗證法請參考下列所引用的應用筆記。

<本篇完>

✽以上圖文引用自Infineon 官網

參考文獻:

Deadtime calculation for IGBT Modules

• AN2007-04:

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Deadtime_calculation_for_IGBT_modules-ApplicationNotes-v01_10-EN.pdf?fileId=db3a30431a5c32f2011a5daefc41005b