IGBT模块IPM死区时间设计方法

IGBT模块/IPM死区时间设计方法
死区时间是PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下IGBT管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段。

通常也指pwm响应时间。

下图是变频空调室外压缩机控制驱动主电路的原理图。

220V交流电压经过由D1～D4和电解电容C1组成的桥式整流和阻容滤波电路后成为给IPM供电的直流电压，六个开关管按照一定规律通断，分别在U、V、W三相输出一系列的矩形信号，通过调整矩形波的频率与占空比达到调节输出电压频率和幅度的目的，即现在应用最广泛的PWM（PULSE WIDTH MODULATE 脉冲宽度调制）控制技术，PWM控制技术从控制思想上可以分成四类：等脉宽PWM法、正弦波PWM法、磁链追踪PWM法和电流追踪型PWM法。

不管采用何种控制方式，都必须注意U、V、W任意一相上下两个桥臂不能同时导通，否则直流电源将在IPM内部形成短路，这是绝对不允许的。

为了避免电源元件的切换反应不及时可能造成的短路，一定要在控制信号之间设定互锁时间，这个时间又叫换流时间，或者叫死区时间。

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由于IGBT（绝缘栅极型功率管）等功率器件都存在一定的结电容，所以会造成器件导通关断的延迟现象。

一般在设计电路时已尽量降低该影响，比如尽量提高控制极驱动电压电流，设置结电容释放回路等。

为了使igbt工作可靠，避免由于关断延迟效应造成上下桥臂直通，
有必要设置死区时间，也就是上下桥臂同时关断时间。

死区时间可有效地避免延迟效应所造成的一个桥臂未完全关断，而另一桥臂又处于导通状态，避免直通炸模块。

死区时间大，模块工作更加可靠，但会带来输出波形的失真及降低输出效率。

死区时间小，输出波形要好一些，只是会降低可靠性，一般为us级。

一般来说死区时间是不可以改变的，只取决于功率元件制作工艺！
死区时间是指控制不到的时间域。

在变频器里一般是指功率器件输出电压、电流的“0”区，在传动控制里一般是指电机正反向转换电压、电流的过零时间。

死区时间当然越小越好。

但是所以设置死区时间，是为了安全。

因此又不可没有。

最佳的设置是：在保证安全的前提下，越小越好。

以不炸功率管、输出不短路为目的。

1 基本原理推导
①IGBT及光耦开关时间的定义
IGBT开关时间定义
光耦开关时间定义
②主电路构成
③逻辑上的死区时间与IGBT端子（C、E）死区时间的关系
下图给出了控制信号、驱动板输出电压和IGBT端子（C、E）间电压的相位关系。

各延迟时间分别定义为：
t1：开通控制信号－驱动板开通电压信号输出的延迟时间
t2：驱动板开通电压－IGBT开通输出延迟时间
t3：关断控制信号－驱动板关断电压信号输出的延迟时间
t4：驱动板关断电压－IGBT关断输出延迟时间
（这里不考虑上下桥臂的差别）
逻辑上设定的死区时间（ＴＤ）与IGBT端子（C、E）死区时间（ＴＤ’）的关系如下式ＴＤ'＝ＴＤ－（t3＋t4)＋(t1＋t2)
因此逻辑上的死区时间(ＴＤ)随延迟时间t1～t4的大小而变化成实际的死区时间（ＴＤ'）。

下面分别推导驱动板的延时(ｔ１、ｔ３)和IGBT延时（t2、t4）。

2 关于死区时间的设计方法
对式ＴＤ'＝ＴＤ－（t3＋t4)＋(t1＋t2)进行变换得
ＴＤ＝ＴＤ'+（t3＋t4)-(t1＋t2)= ＴＤ'+（t3- t1)+(t4-t2)
剩下就是如何界定驱动板的延时(ｔ１、ｔ３)和IGBT延时（ｔ２、ｔ４）。

设计方法就是分为这两部分进行设计的，分别IGBT部分的死区时间和HIC部分的死区时间。

文章来源：
/bl/175.html
（1）IGBT部分的死区时间
①IGBT开关时间的误差数据的收集及最大误差数据的算出
根据各个公司的IGBT数据，算出IGBT开关时间的误差数据（Tj＝25℃）。

根据σ及X±4σ计算各IGBT 的X±4σ.(误差最大)以下给出富士IGBT的σ值供参考.
○600V系列σ=0.041(最大)
○1200V系列σ=0.063(最大)
②结温为25℃和125℃时的开关时间比率计算
根据数据手册中的结温在25℃和125℃、电流为额定电流时的开关时间（ton，toff），计算温升比率
（T125/T25）。

※σ为富士推荐的最大值0.063。

③结温为125℃时的开关时间计算
由①和②的结果，两者相乘，可以计算出结温为125℃时的开关时间。

④驱动条件时Rg，Vge的比率计算
由于数据手册中给出的数据的条件（Rg，Vge）与实际变频器驱动的条件不同，因此需要计算实际IGBT
驱动条件下的开关时间比率。

⑤修正开关时间的计算
从4的结果可以及③的结果可以计算出考虑这些比率时结温为125℃时的开关时间。

然后可以分别求出ton、toff的min值，typ值和max值。

这里Rg、－Vge的倍率是通过Rg－Ton、Toff及－Vge与Ton、Toff的特性曲线求得。

从上表1得到的数据乘以这两个倍率即得本表的数据，如0.568×1.205×0.828＝0.567。

⑥IGBT死区时间的计算
从⑤的开关时间中可以求出toff（max）-ton（min），至此IGBT部的死区时间已经求出。

（2）驱动板部HIC死区时间的设计方法
①周围温度25℃与最大温度时的开关时间的计算
以M57962AL为例说明，其各温度时的开关时间数据如下表。

②驱动板部HIC死区时间的设计
环境温度为60℃时的死区时间为Td（HIC）=tpHL（max）- tpLH（min）
故根据上面的数据，计算得Td（HIC）=1.5- 0.3=1.2（uS）
（3）全死区时间的计算
当计算出IGBT部分的死区时间和HIC部分的死区时间后，全死区时间就可以计算出来了。

ＴＤ＝[tpHL（max）- tpLH（min）]+[toff(max)-ton(min)]
IGBT模块门极并联电容对桥臂死区的影响：
Vdrive_H =15V
Vdrive_L = -7V
Rdrive_on = 68Ω
Rdrive_off = 90Ω
Cies = 2800*1.5pF：取规格书中Buck_MosFet的参数
Cge1 = 470pF：门极并联的电容
Vge_th = 3.5V
Cies2 = Cies+Cge1
Tg_on1 = Rdrive_on*Cies
Tg_on2 = Rdrive_on*Cies2
Td_on1=Tg_on1 ln(1-Vge_th/Vdriver_H)
Td_on1 = 75.885 nS
Td_on2=Tg_on2 ln(1-Vge_th/Vdriver_H)
Td_on2 = 84.377 nS
Tg_off1 = Rdrive_off*Cies
Tg_off2 = Rdrive_off*Cies2
Td_off1=Tg_off1 ln((Vge_th-Vdrive_L)/(Vdrive_H-Vdrive_L)) Td_off1 = 279.594 nS
Td_off2-Tg_off2 ln((Vge_th-Vdrive_L)/(Vdrive_H-Vdrive_L)) Td_off2 = 310.882 nS
ΔTdead = (Td_off2-Td_off1)-(Td_on2-Td_on1)
ΔTdead = 22.796 nS 为死区减少的时间。