- 关于IGBT死区时间的定义和应用解读- 文字原创，素材来源：Infineon等厂商- 在保证原文内容逻辑的基础上，对结构进行了调整、进行了补充说明，便于理解与应用- 本篇为节选，完整内容会在知识星球发布，欢迎学习、交流
导语：电机控制器标定中，功率开关死区时间的设定至关重要。死区存在的第一任务：防止因信号产生干扰，导致功率开关元件(如IGBT)的上下桥臂同时导通，造成短路，从而引发功率元件的烧毁。
但是，TA的意义远不止如此。太长的死区时间同样会导致电机性能下降、系统不稳定等问题(引起电流畸变、电压波动、转矩脉动和效率下降)；太短的死区时间，可能引发功率元件烧毁、炸机等安全风险。因此，在标定过程中，需要精确设置死区时间，以在防止元件损坏、保证系统稳定性和提高控制精度和系统性能之间找到平衡点！
图片来源：Infineon/SysPro
今天，我们通过对IGBT手册的学习解读，一起来了解下IGBT桥臂直通的原因及防止策略，看看如何寻找这个平衡点？主要回答几点问题：什么是死区时间？TA逆变器究竟有什么影响？如何精确计算死区时间？与哪些因素相关？在避免直通的基础上，通过哪些手段可以有效减小死区时间，以提升系统性能呢？
图片来源：SysPro
目录
1. IGBT桥臂直通的原因及防止策略
2. 死区时间对逆变器工作的影响
3. 如何计算合适的死区时间？（知识星球发布）
3.1 计算死区时间的基础理论
3.2 开关和延迟时间的定义及解释
3.3 门极驱动电阻对开关时间的影响
3.4 影响延迟时间的其它因素
3.4.1 开通延迟时间
3.4.2 关断延迟时间
3.4.3 死区时间的计算案例
3.4.4 死区时间计算值的确认
4. 如何减小死区时间?（知识星球发布）
5. 总结
注: 本篇为节选，完整内容会在知识星球发布(点击文末"阅读原文")
01
IGBT桥臂直通的原因及防止策略
下图展示了一个IGBT桥臂的典型结构。在正常运行情况下，两个IGBT会依次开通和关断。然而，如果两个器件同时导通，将导致电流急剧上升，此时电流将仅受直流环节的杂散电感限制。
图片来源：Infineon
虽然不存在故意使两个IGBT同时开通的情况，但由于IGBT并非理想开关器件，其开通和关断时间并不完全一致。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”或更常见的“死区时间”。通过引入这一额外时区，确保其中一个IGBT首先关断，然后在死区时间结束时开通另一个IGBT，从而避免由于开通和关断时间不对称导致的直通现象。
图片来源：网络
| SysPro备注：这种策略的核心在于通过时间上的错开，确保两个IGBT不会同时导通，进而保护电路免受电流冲击。了解了死区时间存在的原因，那么，TA对逆变器有什么影响呢？
02
死区时间对逆变器工作的影响
通常情况下，死区时间可分为两种：控制死区时间和有效死区时间。控制死区时间指在控制算法中加入的一段时间，用以确保器件获得足够的死区时间。设置控制死区时间的目的是为了保证有效死区时间总是足够长。由于计算控制死区时间时是基于最坏的情况考虑，因此有效死区时间占控制死区时间的比例较大。明确了死区时间的两个概念，下面我们具体看看，死区时间除了仿真桥臂直通外，是否还有其他的附加影响？死区时间的作用在于防止IGBT桥臂直通；但另一方面，它也存在不利影响。为了说明死区时间的影响，我们考虑电压源型逆变器的一个桥臂，如下图所示。假设输出电流按图示方向流动，IGBT T1由开通到关断，而T2经过一小段死区时间后由关断到开通。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，电压极性符合设计要求。另一种情况，若T1由关断到开通，而T2由开通到关断，此时电流仍沿同一方向，电流在死区时间依然通过D2，输出电压仍为负值，电压极性不符合设计要求。一句话总结下：在有效死区时间内，输出电压由输出电流决定，而非控制信号。
图片来源：Infineon
| SysPro备注，为什么说输出的是一个负的直流电压？为什么说极性符合要求？这里可能不好理解，我解释下：
我们可以看到，续流二极管D2是反向并联在开关管T2上的，当T2关断时，如果输出电流方向不变，D2将导通，允许电流继续沿原方向流动。。在有效死区时间内，由于两个开关管（T1和T2）都处于关断状态，电流只能通过D2流动。此时，输出电压由D2的电压降决定。由于D2反向导通，其阳极电压低于阴极电压，因此在输出侧会呈现一个负的直流电压。我们通过电压矢量控制电机按期望运转，因此要确保输出电压的极性与设计相匹配，以维持电机的稳定、可靠运转，因此要确保四驱区间输出电压、电流符合预期、不失真。
应用笔记：如果我们假设输出电流的方向与上图所示相反，当T1由开通到关断，而T2由关断到开通时，也会出现上述电压情况。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。若选择的死区时间过长，对于感应电机等情况，系统可能变得不稳定，甚至引起系统崩溃的严重后果。因此，死区时间的选择十分重要，且应仔细计算。那么，在实际中如何测量IGBT的延迟时间，并根据测量值计算合适的控制死区时间？
图片来源：SysPro
03
如何计算合适的死区时间？
（知识星球发布）为了确保IGBT桥臂避免直通并正常运行，死区时间的选择至关重要。这不仅需要满足避免直通的要求1，还应尽可能小，以确保电压源型逆变器的最佳性能2。因此，为特定IGBT和驱动电路找到适合的死区时间是一大挑战。
图片来源：ECP白皮书
3.1 计算死区时间的基础理论
（知识星球发布）...
3.2 开关和延迟时间的定义及解释
（知识星球发布）
了解了死区时间的基本计算理论，我们通过下图，进一步明确下IGBT开关时间和延迟时间的定义...
|SysPro备注，关于以上时间参数的解释我们曾经详细解释过，可点击下文跳转：电动汽车驱动系统IGBT关键参数指南 | 开关特性：栅极电荷、门级电阻、开关时间、开关损耗、短路特性
图片来源：SysPro
3.3 门极驱动电阻对开关时间的影响
（知识星球发布）门极驱动电阻对开关延迟时间有显著影响...
3.4 影响延迟时间的其它因素
（知识星球发布）
延迟时间是半导体器件开关过程中的重要参数，除了门极驱动电阻外，集电极电流和门极驱动电压也对延迟时间有显著影响。那么，他们是如何影响的呢？又是为什么呢？
3.4.1 开通延迟时间（知识星球发布）
为了评估开通延迟时间与集电极电流的关系，Infineon进行了一系列测量。下图展示了开通延迟时间td_on与集电极电流Ic的关系，其中：...
蓝色线：td_on-15V/15V, 25°C
黄色线：td_on-15V/15V, 125°C
紫色线：td_on0V/15V, 125°C
绿色线：td_on0V/15V, 25°C
3.4.2 关断延迟时间（知识星球发布）
在死区时间的计算中，最大关断延迟时间是关键因素，因为它几乎决定了最终计算出的死区时间长度...|SysPro备注，在电驱动系统标定中，对于控制器而言有个重要的标定就是死区时间标定。这一节也解释了为什么我们需要死区时间标定？这是因为...
3.4.3 死区时间的计算案例（知识星球发布）
3.4.4 死区时间计算值的确认（知识星球发布）
通过前面的讨论及入第3.1中提到的死区计算方程，我们可以利用测量值来计算所需的死区时间。为了确认这一计算值是否足够，需要在worst case情况下进行测量和确认...
在03开头我们聊过了，死区时间不仅需要满足避免直通的要求，还应尽可能小，以确保电压源型逆变器的最佳性能。上面我们聊完了如何确保死区时间充足，那么，如何在此基础上减小死区时间呢？
图片来源：ECP
04
如何减小死区时间?
（知识星球发布）
由于死区时间对逆变器性能有负面影响，应尽可能减小死区时间，那么，如何减小？我们从门极电压、驱动电阻、电平类型角度来讲解...
05 总结
我们通过对IGBT手册的学习解读，了解了IGBT桥臂直通的原因及防止策略，重点介绍了死区时间的概念、对逆变器工作的影响以及如何计算和减小死区时间。
IGBT桥臂直通由于开关时间不对称可能导致电流急剧上升，引入死区时间是防止直通的有效策略。死区时间虽能防止直通，但也会对逆变器性能产生负面影响。因此，需要准确计算死区时间，考虑IGBT的开关特性、门极驱动电阻、驱动电压等多种因素。
通过03的公式，我们了解了死区时间的计算方法，并强调了在实际应用中通过测量来确认计算值的必要性。为了减小死区时间对逆变器性能的负面影响，给出了一些有效的手段。这些方法有助于优化电力电子系统的设计和性能。以上，希望有所帮助！
图片来源：SysPro
以上内容为总结(节选)，完整解读、参考资料、技术报告在知识星球「SysPro电力电子技术」中发布，欢迎进一步查阅、学习，希望有所帮助！
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