【大大鱼干的类比电源讲堂】Infineon IGBT 的死区计算
【前言】
在现代工业的各种应用中，经常使用带有功率元器件(mofet、igbt……) 当作输出的驱动电路，其中最常见、也最容易造成问题的不外乎就是会上、下交替导通的拓朴—可以是全桥也可以是半桥。
这样的拓朴在上下交替导通的期间，可能会因为各种延迟的关系而产生极为短暂的短路现象，轻则损耗变高、元件发热、效率降低，重则整个装置烧毁。
本文旨在针对igbt 在高端(hs)与低端(ls)串联的拓朴应用中，计算出适当的开关缓冲区、也就是死区(deadtime)。
本篇借由模组内的单体元件来说明死区的计算:
【死区对逆变器(inverter)的影响】
为了说明死区时间的影响，如下图所示：
假设输出电流先沿图中蓝字所示的方向流动，则 igbt t1 从on切换到off，而 igbt 在短暂的死区时间后，t2 从 off 切换到 on。
在有效死区时间内，两个器件都off，续流二极管 d2 传导输出电流、继续向输出施加负直流母线电压。
此时需要考虑另一种情况:
t1 从 off 切换到 on，t2 从 on 切换到 off，由于输出电流同向流动，d2 在死区时间内仍导通电流。
此时会造成t1 与t2 有短路的现象，在有效死区时间内，输出电压由输出电流的方向决定，而不是由控制信号决定。
考虑到输出电流流向与图相反的方向，电压将在t1从on切换到off，t2从off切换到on时出现。
对于电感性的负载(马达)，选择过大的死区时间会导致系统不稳定和灾难性后果，因此，决定适当死区时间的过程是有其必要的。
死区的计算(dead-time calculation)
死区的计算公式如下:
td_off_max is the maximum turn-off delay time
td_on_min, minimum turn-on delay time
tpdd_max, maximum propagation delay of driver
tpdd_min, minimum propagation delay of driver
1.2 safety margin value to be multiplied(1.2倍的安全馀裕值)
开关和延迟时间的定义:
td(on): from 10% of vge to 10% of ic
tr: from 10% of ic to 90% of ic
td(off): from 90% of vge to 90% of ic
tf: from 90% of ic to 10% of ic
栅极电阻/驱动器输出阻抗的影响
栅极电阻的选择对开关延迟时间有重大影响，一般来说，电阻越高，延迟时间越长。
建议在应用中使用专用栅极电阻来测量延迟时间。
下图分别显示了开关时间与栅极电阻在不同温度下的典型曲线图。
其他参数对延迟时间的影响
除栅极电阻值外，以下参数对延迟时间也有显著影响：
集电极电流
栅极驱动电源电压
导通延时turn on delay time
导通延时与集电极电流之间的关系:
关断延时turn off delay time
死区时间计算中最重要的因素是最大关断延迟时间，该值决定了最终计算出的死区时间的完整长度。
要获得最大关断延迟时间，应考虑以下条件:
步骤1:
igbt器件本身引起的导通延迟时间持续多长时间？
测试是基于实验室的理想驱动板进行的，这意味着它不会导致延迟（最有可能是超大驱动器）。
因此，整个延迟时间都归因于igbt器件本身，如下图所示:
步骤2
当igbt的临界值于数据表中的最小值时，最大关断延迟时间是多少？
（这反映了模块之间的 vth 误差）
连接一个额外的二极管来模拟 vth 压降，二极管的压降约为 0.7–0.8 v，这与 fp40r12kt3 模块的 vth 非常相似，如下图所示:
步骤3
驱动器输出级如何影响开关时间？
市场上的驱动器分为两类：mosfet输出和双极晶体管(bjt)输出。
连接一个附加电阻器(rg)以模拟具有 mosfet 输出级的驱动器，该电阻被认为是 mosfet 晶体管的导通电阻 rds(on)、还有用于模拟 vth 变化的二极管。
如下图所示:
步骤4
具有双极晶体管输出级的驱动器有何影响？
连接一个额外的二极管来模拟输出级中双极晶体管(bjt)的压降，如下图所示:
死区时间减少
要精确计算控制死区时间，请考虑以下驱动条件：
施加到 igbt 的栅极电压是多少？
选择的栅极电阻值是多少？
驱动器有什么类型的输出级？
由于死区时间会影响逆变器性能，因此应将其保持在最低限度。有几种方法可用，下面列出了其中一些：
选择足够强大的驱动器来降低或产生峰值 igbt 栅极电流
使用负电源加速关断
优先采用基于高速信号传输技术的驱动器，例如磁藕合无线传导技术，而不是传统光耦合器技术的驱动器
将单独的 rgon/rgoff 电阻器用于栅极驱动器
如下图所示:
本文仅举出了有关于计算死区的几个重要事项与说明，更详细的理论与验证法请参考下列所引用的应用笔记。
2009俄罗斯轮胎展
EMC电磁兼容体系基础类标准
车用SoC如何克服多重图形与FinFET挑战
聚氨酯结构胶性能如何？主要应用于哪些领域？
华为5G CPE Pro正式发布搭载巴龙5000芯片可以实现5G与4G网络自动切换
【大大鱼干的类比电源讲堂】Infineon IGBT 的死区计算
莱迪思为屡获殊荣的MachXO3™产品系列添加新成员
AA-1800D原子吸收光谱仪对头发中锌含量测定的应用方案
UWB唯一性检测装置在煤矿井下人员定位中的应用
嵌入式软件电源能耗优化的解决方案
业内首个数据中心级验证平台现身
为新旗舰让路？昔日锤子M1降价销售，堪比性价比之王！
SK电讯与IBK企业银行合作将推出以5G和大数据技术为基础的金融服务
高压差分探头的共模抑制比如何排除？
华为Mate10评测 符合大众审美且几乎无短板
智能预付费电能表软件系统的费控策略及应用
便携式地物光谱仪中的基体效应
探析蜂窝物联网的技术现状及C-IoT面向5G的演进路径
尿素喷射不受控制故障案例分析
海鲜干货水分快速测试目的及注意事项
在现代工业的各种应用中，经常使用带有功率元器件(mofet、igbt……) 当作输出的驱动电路，其中最常见、也最容易造成问题的不外乎就是会上、下交替导通的拓朴—可以是全桥也可以是半桥。
这样的拓朴在上下交替导通的期间，可能会因为各种延迟的关系而产生极为短暂的短路现象，轻则损耗变高、元件发热、效率降低，重则整个装置烧毁。
本文旨在针对igbt 在高端(hs)与低端(ls)串联的拓朴应用中，计算出适当的开关缓冲区、也就是死区(deadtime)。
本篇借由模组内的单体元件来说明死区的计算:
【死区对逆变器(inverter)的影响】
为了说明死区时间的影响，如下图所示：
假设输出电流先沿图中蓝字所示的方向流动，则 igbt t1 从on切换到off，而 igbt 在短暂的死区时间后，t2 从 off 切换到 on。
在有效死区时间内，两个器件都off，续流二极管 d2 传导输出电流、继续向输出施加负直流母线电压。
此时需要考虑另一种情况:
t1 从 off 切换到 on，t2 从 on 切换到 off，由于输出电流同向流动，d2 在死区时间内仍导通电流。
此时会造成t1 与t2 有短路的现象，在有效死区时间内，输出电压由输出电流的方向决定，而不是由控制信号决定。
考虑到输出电流流向与图相反的方向，电压将在t1从on切换到off，t2从off切换到on时出现。
对于电感性的负载(马达)，选择过大的死区时间会导致系统不稳定和灾难性后果，因此，决定适当死区时间的过程是有其必要的。
死区的计算(dead-time calculation)
死区的计算公式如下:
td_off_max is the maximum turn-off delay time
td_on_min, minimum turn-on delay time
tpdd_max, maximum propagation delay of driver
tpdd_min, minimum propagation delay of driver
1.2 safety margin value to be multiplied(1.2倍的安全馀裕值)
开关和延迟时间的定义:
td(on): from 10% of vge to 10% of ic
tr: from 10% of ic to 90% of ic
td(off): from 90% of vge to 90% of ic
tf: from 90% of ic to 10% of ic
栅极电阻/驱动器输出阻抗的影响
栅极电阻的选择对开关延迟时间有重大影响，一般来说，电阻越高，延迟时间越长。
建议在应用中使用专用栅极电阻来测量延迟时间。
下图分别显示了开关时间与栅极电阻在不同温度下的典型曲线图。
其他参数对延迟时间的影响
除栅极电阻值外，以下参数对延迟时间也有显著影响：
集电极电流
栅极驱动电源电压
导通延时turn on delay time
导通延时与集电极电流之间的关系:
关断延时turn off delay time
死区时间计算中最重要的因素是最大关断延迟时间，该值决定了最终计算出的死区时间的完整长度。
要获得最大关断延迟时间，应考虑以下条件:
步骤1:
igbt器件本身引起的导通延迟时间持续多长时间？
测试是基于实验室的理想驱动板进行的，这意味着它不会导致延迟（最有可能是超大驱动器）。
因此，整个延迟时间都归因于igbt器件本身，如下图所示:
步骤2
当igbt的临界值于数据表中的最小值时，最大关断延迟时间是多少？
（这反映了模块之间的 vth 误差）
连接一个额外的二极管来模拟 vth 压降，二极管的压降约为 0.7–0.8 v，这与 fp40r12kt3 模块的 vth 非常相似，如下图所示:
步骤3
驱动器输出级如何影响开关时间？
市场上的驱动器分为两类：mosfet输出和双极晶体管(bjt)输出。
连接一个附加电阻器(rg)以模拟具有 mosfet 输出级的驱动器，该电阻被认为是 mosfet 晶体管的导通电阻 rds(on)、还有用于模拟 vth 变化的二极管。
如下图所示:
步骤4
具有双极晶体管输出级的驱动器有何影响？
连接一个额外的二极管来模拟输出级中双极晶体管(bjt)的压降，如下图所示:
死区时间减少
要精确计算控制死区时间，请考虑以下驱动条件：
施加到 igbt 的栅极电压是多少？
选择的栅极电阻值是多少？
驱动器有什么类型的输出级？
由于死区时间会影响逆变器性能，因此应将其保持在最低限度。有几种方法可用，下面列出了其中一些：
选择足够强大的驱动器来降低或产生峰值 igbt 栅极电流
使用负电源加速关断
优先采用基于高速信号传输技术的驱动器，例如磁藕合无线传导技术，而不是传统光耦合器技术的驱动器
将单独的 rgon/rgoff 电阻器用于栅极驱动器
如下图所示:
本文仅举出了有关于计算死区的几个重要事项与说明，更详细的理论与验证法请参考下列所引用的应用笔记。
2009俄罗斯轮胎展
EMC电磁兼容体系基础类标准
车用SoC如何克服多重图形与FinFET挑战
聚氨酯结构胶性能如何？主要应用于哪些领域？
华为5G CPE Pro正式发布搭载巴龙5000芯片可以实现5G与4G网络自动切换
【大大鱼干的类比电源讲堂】Infineon IGBT 的死区计算
莱迪思为屡获殊荣的MachXO3™产品系列添加新成员
AA-1800D原子吸收光谱仪对头发中锌含量测定的应用方案
UWB唯一性检测装置在煤矿井下人员定位中的应用
嵌入式软件电源能耗优化的解决方案
业内首个数据中心级验证平台现身
为新旗舰让路？昔日锤子M1降价销售，堪比性价比之王！
SK电讯与IBK企业银行合作将推出以5G和大数据技术为基础的金融服务
高压差分探头的共模抑制比如何排除？
华为Mate10评测 符合大众审美且几乎无短板
智能预付费电能表软件系统的费控策略及应用
便携式地物光谱仪中的基体效应
探析蜂窝物联网的技术现状及C-IoT面向5G的演进路径
尿素喷射不受控制故障案例分析
海鲜干货水分快速测试目的及注意事项