Определение длительности мертвого времени для инверторов на основе IGBT

Инверторы на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) все чаще используются в современной технике. Одной из проблем, возникающей при их проектировании, является возможность возникновения сквозных токов, что приводит к увеличению мощности потерь, перегреву и даже выходу системы из строя. Исключить это можно, уделив особое внимание расчету задержки сигнала управления транзисторами – «мертвого времени». Методику расчета предлагают инженеры компании Infineon.

Причины возникновения сквозных токов

Типовая схема силовой части инвертора на основе IGBT показана на рисунке 1. В нормальном режиме работы транзисторы верхнего и нижнего плеча должны включаться по очереди. Одновременное нахождение двух транзисторов в проводящем состоянии приведет к короткому замыканию источника питания и появлению сверхтоков, величина которых ограничивается лишь малым активным сопротивлением в силовой цепи.

Рис. 1. Типовая схема силовой части инвертора

Рис. 1. Типовая схема силовой части инвертора

Конечно, никто не проектирует инвертор так, чтобы транзисторы верхнего и нижнего плеча одновременно находились в открытом состоянии. Однако IGBT не являются идеальными ключами и имеют конечную длительность времен включения и выключения, которые не только не равны друг другу, но еще и зависят от множества факторов, в числе которых температура кристалла и величина коммутируемого тока. Поэтому на практике в сигналы управления транзисторами рекомендуется вводить небольшую задержку, известную как «мертвое время» (Dead Time), гарантирующую, что транзистор одного плеча будет открыт только после того, как транзистор другого плеча будет полностью закрыт.

Влияние мертвого времени на работу инвертора

Различают две длительности мертвого времени – расчетную и фактическую. Расчетная длительность мертвого времени (Control Dead Time) – это длительность задержки между сигналами открытия транзисторов, формируемая схемой управления на основе специализированных алгоритмов. Фактическая длительность мертвого времени (Effective Dead Time) – это длительность интервала времени, на протяжении которого оба транзистора находятся в закрытом состоянии. В идеальном случае фактическая длительность мертвого времени должна быть равна нулю, и транзистор одного плеча инвертора должен открываться сразу после закрытия транзистора другого плеча. Однако из-за сложности контроля параметров, влияющих на длительность переключений транзисторов, расчетная длительность мертвого времени закладывается в алгоритм работы схемы управления для наихудшего случая, поэтому на практике фактическая длительность мертвого времени обычно всегда больше нуля.

Введение задержки в сигналы управления транзисторами предотвращает появление сквозных токов, однако из-за негативного влияния на форму выходного напряжения инвертора увеличивать ее длительность до бесконечности нельзя. Рассмотрим это на примере работы одного из плеч инвертора (рисунок 2). Пусть в исходном состоянии транзистор верхнего плеча T1 был открыт, а ток нагрузки протекал в направлении, указанном стрелкой. После закрытия T1 и до открытия транзистора нижнего плеча T2 ток нагрузки замыкается через диод D2, что в данном случае соответствует логике работы инвертора, ведь после закрытия верхнего плеча ток нагрузки должен протекать через нижнее плечо. Однако после закрытия транзистора T2 и до открытия T1 ток нагрузки снова будет протекать через диод D2, а это уже противоречит алгоритму формирования выходного напряжения. При изменении направления тока нагрузки ситуация будет аналогична, только ток будет замыкаться через диод верхнего плеча D1, что при выключении транзистора T1 также будет нарушать порядок формирования выходного напряжения.

Рис. 2. Схема одного плеча инвертора

Рис. 2. Схема одного плеча инвертора

Таким образом, когда оба транзистора закрыты, выходное напряжение инвертора становится неуправляемым и определяется направлением тока нагрузки. Чем больше фактическая длительность мертвого времени, тем более неконтролируемым становится выходное напряжение. На практике, например, при подключении к выходу инвертора асинхронного двигателя, это может привести к нестабильной работе всей системы вплоть до выхода из строя ее компонентов, поэтому к определению необходимой длительности мертвого времени следует подходить очень осторожно и с четким пониманием всех процессов, происходящих при переключении транзисторов силовой части инвертора.

Расчет длительности мертвого времени

Длительность мертвого времени должна одновременно отвечать двум взаимоисключающим требованиям:

  • быть достаточно большой для исключения появления сквозных токов;
  • быть как можно меньше для предотвращения искажений выходного напряжения и нестабильности системы.

Очевидно, что на практике приходится искать компромиссный вариант с учетом всех особенностей выбранных транзисторов и их драйверов затворов.

Формула для расчета длительности мертвого времени

Расчетная длительность мертвого времени tdead определяется по формуле 1:

$$t_{dead}=\left[\left(t_{d\_off\_max}-t_{d\_on\_min} \right)+\left(t_{pdd\_max}-t_{pdd\_min} \right) \right]\times 1.2,\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

  • td_off_max – максимальная длительность задержки выключения транзистора;
  • td_on_min – минимальная длительность задержки включения транзистора;
  • tpdd_max – максимальная длительность прохождения сигнала через драйвер;
  • tpdd_ min – минимальная длительность прохождения сигнала через драйвер.

Первая скобка формулы 1 определяет разницу между длительностями задержек включения и выключения транзисторов с учетом напряжения питания драйвера и сопротивлений резисторов в цепях затворов. В общем случае, в формуле 1 следовало бы учесть и длительности нарастания и спада коллекторного тока, однако, поскольку они намного меньше значений td_off_max и td_on_min, это приведет лишь к усложнению расчета и мало повлияет на конечный результат.

Вторая скобка формулы 1 учитывает разброс длительности прохождения сигналов через драйверы транзисторов разных плеч инвертора, который, особенно при использовании оптических изоляторов, может быть достаточно большим.

Результирующая длительность мертвого времени берется на 20% больше минимально необходимого, что в формуле 1 учитывается с помощью коэффициента 1,2.

Длительность мертвого времени можно рассчитать, подставив в формулу 1 соответствующие значения из технической документации на драйверы и IGBT. Однако, как показывает практика, в большинстве случаев этот способ имеет достаточно большую погрешность, связанную с тем, что в документации на IGBT приводятся типовые значения для стандартных условий, которые в большинстве случаев будут существенно отличаться от реальных режимов работы в конкретном приложении. Таким образом, для определения значений td_off_max и td_on_min все-таки лучше провести ряд экспериментов, которые позволят существенно повысить точность определения длительности мертвого времени и исключить появление сквозных токов.

Что такое «длительность задержки включения/выключения транзистора»

Для исключения возможных неоднозначностей определимся с терминологией. Компания Infineon Technologies определяет длительности включения и выключения IGBT следующим образом (рисунок 3):

Рис. 3. Определение параметров переключения IGBT

Рис. 3. Определение параметров переключения IGBT

  • длительность задержки включения td_on – длительность интервала времени от момента достижения напряжения между затвором и эмиттером транзистора VGE значения, равного 10% от напряжения питания драйвера до достижения током коллектора значения, равного 10% от величины коммутируемого тока IC;
  • длительность нарастания коллекторного тока tr – длительность интервала времени, в течение которого ток коллектора транзистора увеличивается с 10% до 90% от величины коммутируемого тока IC;
  • длительность задержки выключения td_off – длительность интервала времени от момента достижения напряжения между затвором и эмиттером транзистора VGE 90% от номинального напряжения питания драйвера до достижения током коллектора значения, равного 90% от величины коммутируемого тока IC;
  • длительность спада коллекторного тока tf – длительность интервала времени, в течение которого ток коллектора транзистора уменьшается с 90% до 10% от величины коммутируемого тока IC.

Влияние сопротивлений в цепи затвора

Сопротивление в цепи затвора в первую очередь оказывает влияние на длительность задержек при включении/выключении. Как правило, из-за емкостного характера нагрузки драйвера при увеличении сопротивления в цепи затвора длительности задержек увеличиваются (рисунок 4), поэтому рекомендуется измерить реальные характеристики переключения для конкретных транзисторов, драйверов и затворных резисторов.

Рис. 4. Влияние сопротивления затворных резисторов Rg на параметры переключения IGBT для сборки FP40R12KT3 ( Iкомм.= 40 А, Uпит. драйв. ±15 В, Uсил. инв. – 600 В)

Рис. 4. Влияние сопротивления затворных резисторов Rg на параметры переключения IGBT для сборки FP40R12KT3 ( Iкомм.= 40 А, Uпит. драйв. ±15 В, Uсил. инв. – 600 В)

Влияние других факторов на характеристики переключения IGBT

Помимо величин сопротивлений в цепях затворов, на параметры переключения IGBT влияет множество других факторов, основными из которых являются величина коммутируемого тока и напряжения питания драйверов.

Длительность задержки включения

Согласно проведенным исследованиям (рисунок 5), величина коммутируемого тока не оказывает существенного влияния на длительность задержки включения IGBT, поэтому в дальнейших расчетах значение td_on при выбранных напряжении питания драйвера и сопротивлениях затворных резисторов можно считать постоянным для любого тока нагрузки. Большее влияние на этот параметр оказывает напряжение питания драйвера затвора. Так, например, при двуполярном питании длительность задержки включения будет приблизительно в 1,5 раза больше, чем при однополярном.

Рис. 5. Влияние величины коммутируемого тока на длительность задержки при включении td_on для IGBT-сборки FP40R12KT3 (Uпит. сил. инв. 600 В)

Рис. 5. Влияние величины коммутируемого тока на длительность задержки при включении td_on для IGBT-сборки FP40R12KT3 (Uпит. сил. инв. 600 В)

Длительность задержки выключения

Из-за специфики IGBT длительность задержки выключения td_off намного больше всех остальных процессов, происходящих при включении или выключении транзисторов. Именно этот параметр фактически определяет длительность мертвого времени, поэтому его измерению следует уделить особое внимание. Для определения факторов, влияющих на величину td_off, был осуществлен поиск ответов на ряд ключевых вопросов.

Какое влияние на длительность задержки выключения оказывает сам IGBT?
Для ответа на этот вопрос следовало исключить влияние цепей драйверов затворов, поэтому для тестирования была использована специализированная лабораторная плата с оптимальными для данных IGBT-драйверами, вносящими пренебрежимо малые задержки в процесс переключения транзисторов (рисунок 6). Результаты измерений длительности задержки выключения, выполненные с помощью этой платы, фактически определяются только особенностями конкретного IGBT и являются опорными для последующих испытаний.

Рис. 6. Базовая схема измерения с использованием оптимального драйвера

Рис. 6. Базовая схема измерения с использованием оптимального драйвера

Чему будет равна длительность задержки выключения при минимальном пороговом напряжении IGBT?
Величина порогового напряжения Vth (Threshold Voltage – напряжение «затвор-эмиттер», при котором ток коллектора отличен от нуля) реальных IGBT имеет некоторый разброс. При минимальном пороговом напряжении транзистор начинает открываться раньше (при меньшем напряжении между затвором и эмиттером), однако и закроется он также позже. Для моделирования этой ситуации последовательно с затвором были включены дополнительные диоды (рисунок 7), падение напряжения на которых (0,7…0,8 В) позволило за счет уменьшения выходного напряжения драйвера сымитировать уменьшение порогового напряжения Vth тестируемой сборки FP40R12KT3.

Рис. 7. Схема измерения с имитацией пониженного напряжения Vth

Рис. 7. Схема измерения с имитацией пониженного напряжения Vth

Какое влияние оказывает тип выходного каскада драйвера?
Существует два основных типа драйверов: с выходным каскадом на основе биполярных и полевых транзисторов. Для моделирования выходного каскада на полевых транзисторах в цепь драйвера был включен дополнительный резистор, имитирующий наличие сопротивления открытого канала MOSFET (рисунок 8), а для моделирования выходного каскада на биполярных транзисторах были включены еще и дополнительные диоды, имитирующие наличие падения напряжения между коллектором и эмиттером выходных транзисторов драйвера (рисунок 9).

Рис. 8. Схема измерения с имитацией драйвера с выходным каскадом на основе полевых транзисторов

Рис. 8. Схема измерения с имитацией драйвера с выходным каскадом на основе полевых транзисторов

Рис. 9. Схема измерения с имитацией драйвера с выходным каскадом на основе биполярных транзисторов

Рис. 9. Схема измерения с имитацией драйвера с выходным каскадом на основе биполярных транзисторов

Результаты измерений длительности задержки выключения IGBT-сборки FP40R12KT3 при напряжении питания силовой части инвертора 600 В и сопротивлениях резисторов в цепи затворов равных 27 Ом показаны на рисунке 10.

Рис. 10. Результаты измерения длительности задержки выключения td_off

Рис. 10. Результаты измерения длительности задержки выключения td_off

Из графиков видно, что при уменьшении величины коммутируемого тока IC значение длительности задержки выключения IGBT td_off может увеличиться практически в два раза, особенно при разогреве кристалла, поэтому определение величины мертвого времени по известному сопротивлению резистора в цепи затвора, очевидно, будет недостаточно точным. Более точный результат даст именно измерение реальных характеристик переключения транзисторов при использовании конкретного драйвера и резистора в цепи затвора, причем величина тока коллектора не должна превышать 1% от величины максимального значения коммутируемого тока IC.

При проектировании инвертора следует также особое внимание обратить на то, что при использовании однополярного питания драйверов длительность задержки при переключении будет не только увеличиваться по сравнению с двуполярным вариантом, но будет также существенно зависеть от типа выходного каскада драйвера и разброса пороговых напряжений Vth IGBT. Поэтому при однополярном питании характеристикам драйверов транзисторов следует уделять первоочередное внимание, особенно при малых значениях коммутируемого тока.

В качестве примера определим длительность мертвого времени для рассмотренных выше транзисторов, работающих под управлением драйверов на основе оптических изоляторов HCPL-3120, нижнее плечо выходного каскада которых реализовано на основе полевых транзисторов. При использовании однополярного питания драйвера, на которое рассчитаны микросхемы HCPL-3120, с напряжением 15 В из графиков рисунка 10 определим максимальную длительность задержки выключения td_off_max ≈ 1500 нс. При этом минимальная длительность включения, согласно рисунку 5, равна td_on_min ≈ 100 нс. Из технической документации на микросхему HCPL-3120 определим разницу между задержками распространения сигнала tpdd_max – tpdd_min = 700 нс. Подставив эти значения в формулу 1, получим, что длительность расчетного мертвого времени в данном случае должна быть приблизительно равна 2,5 мкс.

Проверка правильности расчета длительности мертвого времени

После проведения измерений и расчета длительности мертвого времени по формуле 1 необходимо проверить правильность работы всей системы. Очевидно, что проверку необходимо проводить для наихудшего случая – при отключенной нагрузке и, поскольку длительности задержек включения и выключения транзисторов зависят от температуры, при высокой и низкой температурах кристаллов транзисторов.

Для этого в цепь эмиттера транзистора нижнего плеча необходимо включить датчик тока (рисунок 11) и контролировать наличие импульсов, возникающих из-за наличия сквозных токов в моменты переключений транзисторов. При правильной работе схемы управления, когда длительность мертвого времени достаточна для закрытия транзисторов, сквозные токи не должны возникать во всем диапазоне рабочих температур и токов нагрузки инвертора, при этом особое внимание следует уделить проверке при максимальной температуре кристалла и отключенной нагрузке.

Рис. 11. Схема для проверки правильности расчета мертвого времени

Рис. 11. Схема для проверки правильности расчета мертвого времени

Способы уменьшения длительности мертвого времени

Для правильного расчета длительности мертвого времени необходимо учитывать следующие факторы:

  • напряжение питания драйвера затвора;
  • сопротивление резистора в цепи затвора;
  • тип выходного каскада драйвера затвора.

Кроме этого, следует выполнить ряд исследований, на основании которых необходимо рассчитать длительность мертвого времени по формуле 1. Но, поскольку мертвое время отрицательно влияет на характеристики инвертора, его длительность желательно минимизировать следующими способами:

  • использовать мощные драйверы с большим выходным током, что позволит перезаряжать емкости затворов за меньшее время;
  • использовать двуполярное питание драйвера затвора, что позволит уменьшить задержку выключения транзистора;
  • вместо традиционных драйверов с оптической изоляцией использовать микросхемы с меньшим разбросом времени прохождения сигналов, например, приборы на основе трансформаторов без сердечника (Coreless Transformer Technology);
  • при использовании однополярного питания использовать отдельные резисторы для заряда и разряда затвора.

Суть последнего способа заключатся в уменьшении задержки выключения транзистора за счет увеличения тока разряда затвора. Поскольку длительность задержки выключения td_off зависит от параметров затворного резистора, компания Infineon предлагает при однополярном питании драйверов уменьшить сопротивление в цепи затвора при закрытии транзистора до величины, равной 1/3 от величины сопротивления при его открытии (рисунок 12).

Рис. 12. Схема подключения IGBT с раздельными цепями заряда и разряда затвора

Рис. 12. Схема подключения IGBT с раздельными цепями заряда и разряда затвора

Сопротивление резистора R1 может быть определено по формуле 2:

$$\frac{R_{1}\times R_{g\_on}}{R_{1}+R_{g\_on}}+R_{g\_int}=\frac{1}{3}\times \left(R_{g\_on}+R_{g\_int} \right),\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Из чего выводится формула 3:

$$R_{1}=\frac{1}{2}\times \frac{R_{g\_on}-2R_{g\_int}}{R_{g\_on}+R_{g\_int}}\times R_{g\_on}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Из формулы 3 следует, что для получения положительного значения сопротивления резистора R1 должно действовать условие Rg_on > 2Rg_int, что для некоторых IGBT может не выполняться. В этом случае резистор R1 из схемы можно исключить, оставив только диод D1, в качестве которого рекомендуется использовать диод Шоттки. Кроме этого, использование подобной схемы управления затвором позволяет устранить эффект защелкивания, возникающий в некоторых IGBT-модулях при однополярном питании (подробная информация об этом эффекте и способы его устранения приведены компанией Infineon в AN2006-01).

Заключение

Определение длительности мертвого времени оказалось достаточно трудоемкой задачей, требующей проведения целого ряда исследований в различных режимах работы. Однако несмотря на всю сложность, игнорировать эту проблему, используя упрощенные методики, нельзя, потому что рано или поздно возникновение сквозных токов (при малой длительности) или искажение формы выходного напряжения (при большой) может оказаться неприятным сюрпризом как для конечного потребителя, так и для разработчика.

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
FP40R12KT3BOSA1 (INFIN)
FP40R12KT3 (INFIN)
FP40R12KT3G (INFIN)
FP40R12KT3GBOSA1 (INFIN)
FF450R12ME3BOSA1 (INFIN)
FF300R12ME4BOSA1 (INFIN)
FF450R12ME4BOSA1 (INFIN)
FF225R12ME4BOSA1 (INFIN)
FF300R07ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF300R17ME3BOSA1 (INFIN)
FF450R07ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF150R12RT4HOSA1 (INFIN)
FF450R12KT4HOSA1 (INFIN)
FF300R12KT4HOSA1 (INFIN)
FF600R12KE4BOSA1 (INFIN)
FF300R12KS4HOSA1 (INFIN)
FF200R12KT4HOSA1 (INFIN)
FF100R12RT4HOSA1 (INFIN)