- 「SysPro系統工程智庫」知識星球<電力電子>專欄內容- 在保證原文內容邏輯的基礎上，對結構進行了調整、進行了補充說明，便于理解與應用- 本篇為節選，完整內容會在知識星球發布，歡迎學習、交流
導語：電機控制器標定中，功率開關死區時間的設定至關重要。死區存在的第一任務：防止因信號產生干擾，導致功率開關元件(如IGBT)的上下橋臂同時導通，造成短路，從而引發功率元件的燒毀。
但是，TA的意義遠不止如此。太長的死區時間同樣會導致電機性能下降、系統不穩定等問題(引起電流畸變、電壓波動、轉矩脈動和效率下降)；太短的死區時間，可能引發功率元件燒毀、炸機等安全風險。因此，在標定過程中，需要精確設置死區時間，以在防止元件損壞、保證系統穩定性和提高控制精度和系統性能之間找到平衡點！
今天，我們通過對IGBT手冊的學習解讀，一起來了解下IGBT橋臂直通的原因及防止策略，看看如何尋找這個平衡點？主要回答幾點問題：什么是死區時間？TA逆變器究竟有什么影響？如何精確的計算死區時間？與哪些因素相關？在避免直通的基礎上，通過哪些手段可以有效減小死區時間，以提升系統性能呢？
1. IGBT橋臂直通的原因及防止策略
2. 死區時間對逆變器工作的影響
3. 如何計算合適的死區時間？（知識星球發布）
3.1 計算死區時間的基礎理論
3.2 開關和延遲時間的定義及解釋
3.3 門極驅動電阻對開關時間的影響
3.4 影響延遲時間的其它因素
3.4.1 開通延遲時間
3.4.2 關斷延遲時間
3.4.3 死區時間的計算案例
3.4.4 死區時間計算值的確認
4. 如何減小死區時間?（知識星球發布）
5. 總結
注: 本篇為節選，完整內容會在知識星球發布(點擊文末"閱讀原文")
IGBT橋臂直通的原因及防止策略
下圖展示了一個IGBT橋臂的典型結構。在正常運行情況下，兩個IGBT會依次開通和關斷。然而，如果兩個器件同時導通，將導致電流急劇上升，此時電流將僅受直流環節的雜散電感限制。
圖片來源：Infineon
雖然不存在故意使兩個IGBT同時開通的情況，但由于IGBT并非理想開關器件，其開通和關斷時間并不完全一致。為了避免IGBT橋臂直通，通常建議在控制策略中加入所謂的“互鎖延時時間”或更常見的“死區時間”。通過引入這一額外時區，確保其中一個IGBT首先關斷，然后在死區時間結束時開通另一個IGBT，從而避免由于開通和關斷時間不對稱導致的直通現象。
圖片來源：網絡
| SysPro備注：這種策略的核心在于通過時間上的錯開，確保兩個IGBT不會同時導通，進而保護電路免受電流沖擊。了解了死區時間存在的原因，那么，TA對逆變器有什么影響呢？
02
死區時間對逆變器工作的影響
通常情況下，死區時間可分為兩種：控制死區時間和有效死區時間。控制死區時間指在控制算法中加入的一段時間，用以確保器件獲得足夠的死區時間。設置控制死區時間的目的是為了保證有效死區時間總是足夠長。由于計算控制死區時間時是基于最壞的情況考慮，因此有效死區時間占控制死區時間的比例較大。明確了死區時間的兩個概念，下面我們具體看看，死區時間除了仿真橋臂直通外，是否還有其他的附加影響？死區時間的作用在于防止IGBT橋臂直通；但另一方面，它也存在不利影響。為了說明死區時間的影響，我們考慮電壓源型逆變器的一個橋臂，如下圖所示。假設輸出電流按圖示方向流動，IGBT T1由開通到關斷，而T2經過一小段死區時間后由關斷到開通。在有效死區時間內，兩個開關管都是關斷的，且續流二極管D2流過輸出電流，此時負的直流電壓加在輸出側，電壓極性符合設計要求。另一種情況，若T1由關斷到開通，而T2由開通到關斷，此時電流仍沿同一方向，電流在死區時間依然通過D2，輸出電壓仍為負值，電壓極性不符合設計要求。一句話總結下：在有效死區時間內，輸出電壓由輸出電流決定，而非控制信號。
| SysPro備注，為什么說輸出的是一個負的直流電壓？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，續流二極管D2是反向并聯在開關管T2上的，當T2關斷時，如果輸出電流方向不變，D2將導通，允許電流繼續沿原方向流動。。在有效死區時間內，由于兩個開關管（T1和T2）都處于關斷狀態，電流只能通過D2流動。此時，輸出電壓由D2的電壓降決定。由于D2反向導通，其陽極電壓低于陰極電壓，因此在輸出側會呈現一個負的直流電壓。我們通過電壓矢量控制電機按期望運轉，因此要確保輸出電壓的極性與設計相匹配，以維持電機的穩定、可靠運轉，因此要確保四驅區間輸出電壓、電流符合預期、不失真。應用筆記：如果我們假設輸出電流的方向與上圖所示相反，當T1由開通到關斷，而T2由關斷到開通時，也會出現上述電壓情況。因此，一般情況下，輸出電壓與輸出電流會隨著死區時間的加入而失真。若選擇的死區時間過長，對于感應電機等情況，系統可能變得不穩定，甚至引起系統崩潰的嚴重后果。因此，死區時間的選擇十分重要，且應仔細計算。那么，在實際中如何測量IGBT的延遲時間，并根據測量值計算合適的控制死區時間？
03
如何計算合適的死區時間？
為了確保IGBT橋臂避免直通并正常運行，死區時間的選擇至關重要。這不僅需要滿足避免直通的要求1，還應盡可能小，以確保電壓源型逆變器的最佳性能2。因此，為特定IGBT和驅動電路找到適合的死區時間是一大挑戰。
3.1 計算死區時間的基礎理論
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3.2 開關和延遲時間的定義及解釋
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了解了死區時間的基本計算理論，我們通過下圖，進一步明確下IGBT開關時間和延遲時間的定義...
|SysPro備注，關于以上時間參數的解釋我們曾經詳細解釋過，可點擊下文跳轉：電動汽車驅動系統IGBT關鍵參數指南 | 開關特性：柵極電荷、門級電阻、開關時間、開關損耗、短路特性
3.3 門極驅動電阻對開關時間的影響
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3.4 影響延遲時間的其它因素
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延遲時間是半導體器件開關過程中的重要參數，除了門極驅動電阻外，集電極電流和門極驅動電壓也對延遲時間有顯著影響。那么，他們是如何影響的呢？又是為什么呢？
3.4.1 開通延遲時間
為了評估開通延遲時間與集電極電流的關系，Infineon進行了一系列測量。下圖展示了開通延遲時間td_on與集電極電流Ic的關系，其中：...
3.4.2 關斷延遲時間
在死區時間的計算中，最大關斷延遲時間是關鍵因素，因為它幾乎決定了最終計算出的死區時間長度...|SysPro備注，在電驅動系統標定中，對于控制器而言有個重要的標定就是死區時間標定。這一節也解釋了為什么我們需要死區時間標定？這是因為...3.4.3 死區時間的計算案例...
3.4.4 死區時間計算值的確認
通過前面的討論及入第3.1中提到的死區計算方程，我們可以利用測量值來計算所需的死區時間。為了確認這一計算值是否足夠，需要在worst case情況下進行測量和確認...
在03開頭我們聊過了，死區時間不僅需要滿足避免直通的要求，還應盡可能小，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時間充足，那么，如何在此基礎上減小死區時間呢？
04
如何減小死區時間?
「SysPro電力電子技術」星球中發布
由于死區時間對逆變器性能有負面影響，應盡可能減小死區時間，那么，如何減??？...
05 總結
我們通過對IGBT手冊的學習解讀，了解了IGBT橋臂直通的原因及防止策略，重點介紹了死區時間的概念、對逆變器工作的影響以及如何計算和減小死區時間。
IGBT橋臂直通由于開關時間不對稱可能導致電流急劇上升，引入死區時間是防止直通的有效策略。死區時間雖能防止直通，但也會對逆變器性能產生負面影響。因此，需要準確計算死區時間，考慮IGBT的開關特性、門極驅動電阻、驅動電壓等多種因素。
通過03的公式，我們了解了死區時間的計算方法，并強調了在實際應用中通過測量來確認計算值的必要性。為了減小死區時間對逆變器性能的負面影響，給出了一些有效的手段。這些方法有助于優化電力電子系統的設計和性能。以上，希望有所幫助！
以上是關于<IGBT及功率器件基礎知識概覽與應用指南>的總結(節選)，完整版內容與解讀在知識星球「SysPro系統工程智庫」星球的 [SysPro|動力系統電力電子技術] 專欄發布 (全文7800字)，歡迎閱讀學習。實際應用中，建議大家參考之前整理的<IGBT關鍵特性參數指南>一并查閱，同時，可以結合5月17日更新的<IGBT基礎培訓視頻>拓展學習。希望有所幫助！
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感謝你的閱讀，共同成長！
2025年1月17日
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