在现代⼯业中，采⽤IGBT器件的电压源逆变器应⽤越来越多。为了保证可靠的运⾏，应当避免 桥臂直通。桥臂直通将产⽣不必要的额外损耗，甚⾄引起发热失控，结果可能导致器件和整个
逆变器被损坏。
下图画出了IGBT⼀个桥臂的典型结构。在正常运⾏时，两个IGBT将依次开通和关断。如果两个
器件同时导通，则电流急剧上升，此时的电流将仅由直流环路的杂散电感决定。 图1 电压源逆变器的典型结构
当然，没有谁故意使两个IGBT同时开通，但是由于IGBT并不是理想开关器件，其开通时间和关
断时间不是严格⼀致的。为了避免IGBT桥臂直通，通常建议在控制策略中加⼊所谓的“互锁延时
时间”，或者通常叫做“死区时间”。这意味着其中⼀个IGBT要⾸先关断，然后在死区时间结束时
再开通另外⼀个IGBT，这样，就能够避免由开通时间和关断时间不对称造成的直通现象。
1. 死区时间对逆变器⼯作的影响
死区时间⼀⽅⾯可以避免桥臂直通，另⼀⽅⾯也会带来不利影响。以图2为例，⾸先假设输出电 流按图⽰⽅向流动，⽽IGBT T1由开通到关断，经过⼀⼩段死区时间后IGBT T2由关断到开通。
在有效死区时间内，两个开关管都是关断的，且续流⼆极管D2流过输出电流。此时负的直流电
压加在输出侧，此时电压极性符合设计的要求。考虑另⼀种情况，T1由关断到开通，⽽T2由开
通到关断，此时，由于电流还是沿着同⼀个⽅向，这⼀电流在死区时间依然流过，因此输出电
压还是为负值，此时电压极性不是设计希望得到的。结论可以总结如下：在有效死区时间⾥，
输出电压由输出电流决定，⽽⾮控制信号。
纳米金粉
图2 电压源逆变器的⼀个桥臂
如果我们假设输出电流的⽅向与图2所⽰相反，那么当T1由开通到关断，⽽T2由关断到开通
时，也同样会出现类似上述情况。因此⼀般情况下，输出电压与输出电流会随着死区时间的加
⼊⽽失真。如果我们选择过⼤的死区时间，对于感应电机的情况，系统将会变得不稳定。因
此，仔细计算死区时间。
本⽂主要讲述如何在实践中测量IGBT的延迟时间，以及如何根据测量值正确地计算控制死区时间。
2. 计算合适的死区时间l型匹配
如上所述，选择死区时间时，⼀⽅⾯应让它满⾜避免桥臂直通的要求，另⼀⽅⾯应让它尽可能地⼩，以确保电压源逆变器能正常⼯作。
2.1 计算死区时间的⽅法
我们⽤下列公式计算控制死区时间：
其中，
td_off_max：最⼤关断延迟时间。
td_on_min：最⼩开通延迟时间。
tpdd_min：驱动器最⼩传输延迟时间。
热轧镀锌
1.2：安全裕度。
在该公式中，第⼀项td_off_max-td_on_min为最⼤关断延迟时间和最⼩开通延迟时间之差。这⼀项主要描述IGBT器件结合所⽤的门极电阻的特性。由于上升和下降时间通常⽐延迟时间短很多，这⾥就不考虑它们。另⼀项tpdd_max-tpdd_min为由驱动器决定的传输延迟时间之差（延迟时间不匹配）。该参数通常可在驱动器制造商提供的驱动器数据表中查到。对于基于光耦合器的驱动器，该参数值通常很⼤。
有时可以⽤典型的数据表值乘以来⾃现场经验的安全系数来计算死区时间，但通常不够准确。因为IGBT数据表只提供标准⼯况对应的典型值，我们有必要获得特殊驱动⼯况对应的最⼤值。为此，必须进⾏⼀系列测量，以获得合适的延迟时间值，然后计算死区时间。
2.2 开关及延迟时间定义
英飞凌按以下⽅式定义IGBT的开关时间：
td_on：从Vge上升10%到Ic上升10%的时间。
tr：从10% Ic到90% Ic的时间。
td_off：从90% Vge到90% Ic的时间。
tf：从90% Ic到10% Ic的时间。
2.3 IGBT门极电阻及驱动器输出阻抗的影响
门极电阻设置会显著地影响开关延迟时间。⼀般来说，电阻越⼤则延迟时间越长。建议在实际应⽤的专⽤门极电阻条件下测量延迟时间。典型的开关时间与门极电阻的关系图如下图所⽰：
图4 开关时间与Rg在25°C时的关系图
图5 开关时间与Rg在125°C时的关系图
所有试验都是⽤FP40R12KT3模块进⾏的，门极电压为-15V/+15V，DC link电压为600V，开关电流为标称电流40A
膜加盖
2.4 其他参数对延迟时间的影响
除门极电阻值外，还有其它参数对延迟时间有显著影响：
延时电路? 集电极电流
? 门极驱动供电电压
2.4.1 开通延迟时间
为了估计这⼀影响，须进⾏⼀系列测量。先研究开通延迟时间与电流之间的关系。结果如下图所⽰：
图6 开通延迟时间与开关电流Ic的关系图
所有试验采⽤FP40R12KT3模块，DC link电压为600V，门极电阻根据数据表值选择。
从以上结果中可以看出，集电极电流Ic发⽣变化时，开通延迟时间⼏乎保持不变。-15V/+15V的门极电压下的开通延迟时间，⽐0V/+15V的门极电压条件下要长。但该变化很⼩，且考虑到额外的安全裕量，因此可以忽略不计。
2.4.2 关断延迟时间
最⼤关断延迟时间是计算死区时间时应考虑的最重要因素。因为该值⼏乎完全决定最终计算的死区时间是多长。所以我们将详细地研究该延迟时间。
要想获得最⼤关断延迟时间，必须考虑到以下问题：
1. IGBT器件⾃⾝产⽣的开通延迟时间是多少？
2. 如果IGBT的阈值电压为数据⼿册中的最⼩值，那么最⼤关断延迟时间是多少？（这个值反映了模块间Vth允许的误差）
3. 驱动器输出电平对开关时间的影响？
4. 双极晶体管输出电平的驱动器有何影响？
考虑以上变量，我们使⽤FP40R12KT3和视为理想的驱动器在实验室对关断延迟时间进⾏了测试。测试条件为Vdc=600V，Rg=27?。测试结果如下图所⽰：
关断延迟时间与Ic在25°C时的关系图关断延迟时间与Ic在25°C时的关系图
从测试结果可知，随着开关电流Ic的减⼩，关断延迟时间显著增加。因此仅仅通过选定门极驱动电阻来简单地计算死区时间是不够精确的。在特定的驱动条件下测量延迟时间，然后再根据测量值来计算死区时间是⼀个更好且更精确的⽅法。通常情况下，通过测量1%常规电流条件下的延迟时间，⾜以计算需要的死区时间。
这⾥还应考虑⼀个问题，即，采⽤0V/+15V的门极驱动电压时，关断延迟时间会增加，⽽且采⽤0V/+1
5V的驱动电压时，驱动器输出电平对开关时间的影响会更⼤。这意味着使⽤0V/+15V驱动电压时，需要特别注意对驱动器的选择。另外，集电极电流Ic较⼩时导致td_off增加的问题也需要考虑。
3. 如何减⼩死区时间
为了正确计算控制死区时间，应当考虑以下驱动条件：
? 给IGBT施加的门极电压是多少？
? 选择的门极电阻值是多少？
? 驱动器的输出电平是什么类型？
基于这些条件，可以进⾏延迟时间的测试，然后通过测试结果，使⽤公式(1)计算控制死区时间。由于死区时间对逆变器的性能有着负⾯影响，死区时间需要减⼩到最⼩值。可以采⽤下列⼏种⽅法：
·采⽤⾜够⼤的驱动器来给IGBT门极提供峰值灌拉电流。
·使⽤负电压来加速关断。
·最好选择快速传递信号的驱动器，⽐如使⽤基于⽆磁芯变压器技术的驱动器会好于使⽤传统光耦技术
的驱动器。
·如果选⽤0V/15V的驱动电压，那么应该考虑使⽤独⽴的Rgon/Ggoff电阻。
从2.3节显⽰的测量结果中可以看出，Td_off与门极电阻值有很强的相关性。如果Rgoff减⼩，则td_off及死区时间都会减少。英飞凌建议，在使⽤0V/15V的门极电压时，Rgoff值应减⼩⾄Rgon 值的1/3。⼀种使⽤独⽴的Rgon和Rgoff的电路如下所⽰：涡轮抽风机
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议