采用IGBT器件的電壓源逆變器應(yīng)用時(shí)如何避免橋臂直通

在現(xiàn)代工業(yè)中，采用IGBT器件的電壓源逆變器應(yīng)用越來(lái)越多。為了保證可靠的運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)避免橋臂直通。橋臂直通將產(chǎn)生不必要的額外損耗，甚至引起發(fā)熱失控，結(jié)果可能導(dǎo)致器件和整個(gè)逆變器被損壞。

下圖畫(huà)出了IGBT一個(gè)橋臂的典型結(jié)構(gòu)。在正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)IGBT將依次開(kāi)通和關(guān)斷。如果兩個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通，則電流急劇上升，此時(shí)的電流將僅由直流環(huán)路的雜散電感決定。

圖1 電壓源逆變器的典型結(jié)構(gòu)

當(dāng)然， 沒(méi)有誰(shuí)故意使兩個(gè)IGBT同時(shí)開(kāi)通，但是由于IGBT并不是理想開(kāi)關(guān)器件，其開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間不是嚴(yán)格一致的。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”，或者通常叫做“死區(qū)時(shí)間”。這意味著其中一個(gè)IGBT要首先關(guān)斷，然后在死區(qū)時(shí)間結(jié)束時(shí)再開(kāi)通另外一個(gè)IGBT，這樣，就能夠避免由開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間不對(duì)稱(chēng)造成的直通現(xiàn)象。

1. 死區(qū)時(shí)間對(duì)逆變器工作的影響

死區(qū)時(shí)間一方面可以避免橋臂直通，另一方面也會(huì)帶來(lái)不利影響。以圖2為例，首先假設(shè)輸出電流按圖示方向流動(dòng)，而IGBT T1由開(kāi)通到關(guān)斷，經(jīng)過(guò)一小段死區(qū)時(shí)間后IGBT T2由關(guān)斷到開(kāi)通。 在有效死區(qū)時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管都是關(guān)斷的，且續(xù)流二極管D2流過(guò)輸出電流。此時(shí)負(fù)的直流電壓加在輸出側(cè)，此時(shí)電壓極性符合設(shè)計(jì)的要求?？紤]另一種情況，T1由關(guān)斷到開(kāi)通，而T2由開(kāi)通到關(guān)斷，此時(shí)，由于電流還是沿著同一個(gè)方向，這一電流在死區(qū)時(shí)間依然流過(guò)，因此輸出電壓還是為負(fù)值，此時(shí)電壓極性不是設(shè)計(jì)希望得到的。結(jié)論可以總結(jié)如下：在有效死區(qū)時(shí)間里，輸出電壓由輸出電流決定，而非控制信號(hào)。

圖2 電壓源逆變器的一個(gè)橋臂

如果我們假設(shè)輸出電流的方向與圖2所示相反，那么當(dāng)T1由開(kāi)通到關(guān)斷，而T2由關(guān)斷到開(kāi)通時(shí)，也同樣會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似上述情況。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。如果我們選擇過(guò)大的死區(qū)時(shí)間，對(duì)于感應(yīng)電機(jī)的情況，系統(tǒng)將會(huì)變得不穩(wěn)定。因此， 仔細(xì)計(jì)算死區(qū)時(shí)間。

本應(yīng)用手冊(cè)主要講述如何在實(shí)踐中測(cè)量IGBT的延遲時(shí)間，以及如何根據(jù)測(cè)量值正確地計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間。

2. 計(jì)算合適的死區(qū)時(shí)間

如上所述，選擇死區(qū)時(shí)間時(shí)，一方面應(yīng)讓它滿足避免橋臂直通的要求，另一方面應(yīng)讓它盡可能地小，以確保電壓源逆變器能正常工作。

2.1 計(jì)算死區(qū)時(shí)間的方法

我們用下列公式計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間：

其中，

td_off_max：最大關(guān)斷延遲時(shí)間。

td_on_min：最小開(kāi)通延遲時(shí)間。

tpdd_max：驅(qū)動(dòng)器最大傳輸延遲時(shí)間。

tpdd_min：驅(qū)動(dòng)器最小傳輸延遲時(shí)間。

1.2：安全裕度。

在該公式中，第一項(xiàng)td_off_max-td_on_min為最大關(guān)斷延遲時(shí)間和最小開(kāi)通延遲時(shí)間之差。這一項(xiàng)主要描述IGBT器件結(jié)合所用的門(mén)極電阻的特性。由于上升和下降時(shí)間通常比延遲時(shí)間短很多，這里就不考慮它們。另一項(xiàng)tpdd_max-tpdd_min為由驅(qū)動(dòng)器決定的傳輸延遲時(shí)間之差（延遲時(shí)間不匹配）。該參數(shù)通?？稍隍?qū)動(dòng)器制造商提供的驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)表中查找到。對(duì)于基于光耦合器的驅(qū)動(dòng)器，該參數(shù)值通常很大。

有時(shí)可以用典型的數(shù)據(jù)表值乘以來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的安全系數(shù)來(lái)計(jì)算死區(qū)時(shí)間，但通常不夠準(zhǔn)確。因?yàn)镮GBT數(shù)據(jù)表只提供標(biāo)準(zhǔn)工況對(duì)應(yīng)的典型值，我們有必要獲得特殊驅(qū)動(dòng)工況對(duì)應(yīng)的最大值。為此，必須進(jìn)行一系列測(cè)量，以獲得合適的延遲時(shí)間值，然后計(jì)算死區(qū)時(shí)間。

2.2 開(kāi)關(guān)及延遲時(shí)間定義

英飛凌按以下方式定義IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間：

td_on：從Vge上升10%到Ic上升10%的時(shí)間。

tr：從10% Ic到90% Ic的時(shí)間。

td_off：從90% Vge到90% Ic的時(shí)間。

tf：從90% Ic到10% Ic的時(shí)間。

圖3 開(kāi)關(guān)時(shí)間的定義

2.3 IGBT門(mén)極電阻及驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗的影響

門(mén)極電阻設(shè)置會(huì)顯著地影響開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，電阻越大則延遲時(shí)間越長(zhǎng)。建議在實(shí)際應(yīng)用的專(zhuān)用門(mén)極電阻條件下測(cè)量延遲時(shí)間。典型的開(kāi)關(guān)時(shí)間與門(mén)極電阻的關(guān)系圖如下圖所示：

圖4 開(kāi)關(guān)時(shí)間與Rg在25°C時(shí)的關(guān)系圖

圖5 開(kāi)關(guān)時(shí)間與Rg在125°C時(shí)的關(guān)系圖

所有試驗(yàn)都是用FP40R12KT3模塊進(jìn)行的，門(mén)極電壓為-15V/+15V，DC link電壓為600V，開(kāi)關(guān)電流為標(biāo)稱(chēng)電流40A

2.4 其他參數(shù)對(duì)延遲時(shí)間的影響

除門(mén)極電阻值外，還有其它參數(shù)對(duì)延遲時(shí)間有顯著影響：

? 集電極電流

? 門(mén)極驅(qū)動(dòng)供電電壓

2.4.1 開(kāi)通延遲時(shí)間

為了估計(jì)這一影響，須進(jìn)行一系列測(cè)量。先研究開(kāi)通延遲時(shí)間與電流之間的關(guān)系。結(jié)果如下圖所示：

圖6 開(kāi)通延遲時(shí)間與開(kāi)關(guān)電流Ic的關(guān)系圖

所有試驗(yàn)采用FP40R12KT3模塊，DC link電壓為600V，門(mén)極電阻根據(jù)數(shù)據(jù)表值選擇。

從以上結(jié)果中可以看出，集電極電流Ic發(fā)生變化時(shí)，開(kāi)通延遲時(shí)間幾乎保持不變。-15V/+15V的門(mén)極電壓下的開(kāi)通延遲時(shí)間，比0V/+15V的門(mén)極電壓條件下要長(zhǎng)。但該變化很小，且考慮到額外的安全裕量，因此可以忽略不計(jì)。

2.4.2 關(guān)斷延遲時(shí)間

最大關(guān)斷延遲時(shí)間是計(jì)算死區(qū)時(shí)間時(shí)應(yīng)考慮的最重要因素。因?yàn)樵撝祹缀跬耆珱Q定最終計(jì)算的死區(qū)時(shí)間是多長(zhǎng)。所以我們將詳細(xì)地研究該延遲時(shí)間。

要想獲得最大關(guān)斷延遲時(shí)間，必須考慮到以下問(wèn)題：

1. IGBT器件自身產(chǎn)生的開(kāi)通延遲時(shí)間是多少？

2. 如果IGBT的閾值電壓為數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最小值，那么最大關(guān)斷延遲時(shí)間是多少？（這個(gè)值反映了模塊間Vth允許的誤差）

3. 驅(qū)動(dòng)器輸出電平對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間的影響？

4. 雙極晶體管輸出電平的驅(qū)動(dòng)器有何影響？

考慮以上變量，我們使用FP40R12KT3和視為理想的驅(qū)動(dòng)器在實(shí)驗(yàn)室對(duì)關(guān)斷延遲時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試條件為Vdc=600V，Rg=27?。測(cè)試結(jié)果如下圖所示：

圖11 關(guān)斷延遲時(shí)間與Ic在25°C時(shí)的關(guān)系圖

圖12 關(guān)斷延遲時(shí)間與Ic在125°C時(shí)的關(guān)系圖

從測(cè)試結(jié)果可知，隨著開(kāi)關(guān)電流Ic的減小，關(guān)斷延遲時(shí)間顯著增加。因此僅僅通過(guò)選定門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)簡(jiǎn)單地計(jì)算死區(qū)時(shí)間是不夠精確的。在特定的驅(qū)動(dòng)條件下測(cè)量延遲時(shí)間，然后再根據(jù)測(cè)量值來(lái)計(jì)算死區(qū)時(shí)間是一個(gè)更好且更精確的方法。通常情況下，通過(guò)測(cè)量1%常規(guī)電流條件下的延遲時(shí)間，足以計(jì)算需要的死區(qū)時(shí)間。

這里還應(yīng)考慮一個(gè)問(wèn)題，即，采用0V/+15V的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，關(guān)斷延遲時(shí)間會(huì)增加，而且采用0V/+15V的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出電平對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間的影響會(huì)更大。這意味著使用0V/+15V驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，需要特別注意對(duì)驅(qū)動(dòng)器的選擇。另外，集電極電流Ic較小時(shí)導(dǎo)致td_off增加的問(wèn)題也需要考慮。

3. 如何減小死區(qū)時(shí)間

為了正確計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間，應(yīng)當(dāng)考慮以下驅(qū)動(dòng)條件：

?給IGBT施加的門(mén)極電壓是多少？

?選擇的門(mén)極電阻值是多少？

?驅(qū)動(dòng)器的輸出電平是什么類(lèi)型？

基于這些條件，可以進(jìn)行延遲時(shí)間的測(cè)試，然后通過(guò)測(cè)試結(jié)果，使用公式(1)計(jì)算控制死區(qū)時(shí)間。由于死區(qū)時(shí)間對(duì)逆變器的性能有著負(fù)面影響，死區(qū)時(shí)間需要減小到最小值?？梢圆捎孟铝袔追N方法：

·采用足夠大的驅(qū)動(dòng)器來(lái)給IGBT門(mén)極提供峰值灌拉電流。

·使用負(fù)電壓來(lái)加速關(guān)斷。

·最好選擇快速傳遞信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器，比如使用基于無(wú)磁芯變壓器技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器會(huì)好于使用傳統(tǒng)光耦技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器。

·如果選用0V/15V的驅(qū)動(dòng)電壓，那么應(yīng)該考慮使用獨(dú)立的Rgon/Ggoff電阻。

從2.3節(jié)顯示的測(cè)量結(jié)果中可以看出，Td_off與門(mén)極電阻值有很強(qiáng)的相關(guān)性。如果Rgoff減小，則td_off及死區(qū)時(shí)間都會(huì)減少。英飛凌建議，在使用0V/15V的門(mén)極電壓時(shí)，Rgoff值應(yīng)減小至Rgon值的1/3。一種使用獨(dú)立的Rgon和Rgoff的電路如下所示：

圖14 門(mén)極電壓為0V/15V時(shí)建議使用的電路

R1的值應(yīng)滿足以下關(guān)系：

從公式中可以看出，要想讓R1為正值，Rgon必須大于2Rgint。但在一些模塊中，這個(gè)要求并不可能滿足。這種情況下，R1可以完全忽略。

二極管應(yīng)該選用肖特基二極管。