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逆變器死區(qū)時間

功率晶體管有一個有限的開關時間，因此，上橋和下橋晶體管之間的脈寬調制波形中必須插入一個死區(qū)時間，如圖4所示。這是為了防止兩個晶體管意外同時接通，引起高壓直流母線短路，進而造成系統(tǒng)故障和/或損壞風險。死區(qū)時間的長度由兩個因素決定：晶體管開關時間和柵極驅動器傳輸延遲失配(包括失配的任何漂移)。換言之，死區(qū)時間必須考慮PWM信號從處理器到上橋和下橋柵極驅動器之間的晶體管柵極的任何傳輸時間差異。

圖4. 死區(qū)時間插補

死區(qū)時間會影響施加到電機的平均電壓，尤其是在低速運轉時。實際上，死區(qū)時間會帶來以下近似恒定幅度的誤差電壓：

其中，Verror為誤差電壓，tdead為死區(qū)時間，ton和toff為晶體管開啟和關閉延遲時間，TS為PWM開關周期，Vdc為自流總線電壓，Vsat為功率晶體管的導通狀態(tài)壓降，Vd為二極管導通電壓。

當一個相電流改變方向時，誤差電壓改變極性，因此，當線路電流過零時，電機線間電壓發(fā)生階躍變化。這會引起正弦基波電壓的諧波，進而在電機中產生諧波電流。對于開環(huán)驅動采用的較大低阻抗電機，這是一個特別重要的問題，因為諧波電流可能很大，導致低速振動、扭矩紋波和諧波加熱。

在以下條件下，死區(qū)時間對電機輸出電壓失真的影響最嚴重：

高直流母線電壓 長死區(qū)時間 高開關頻率 低速工作，特別是在控制算法未添加任何補償?shù)拈_環(huán)驅動中 低速工作很重要，因為正是在這種模式下，施加的電機電壓在任何情況下都非常低，死區(qū)時間導致的誤差電壓可能是所施加電機電壓的很大一部分。此外，誤差電壓導致的扭曲抖動的影響更有害，因為對系統(tǒng)慣性的濾波只有在較高速度下才可用。

在所有這些參數(shù)中，死區(qū)時間長度是唯一受隔離式柵極驅動器技術影響的參數(shù)。死區(qū)時間長度的一部分是由功率晶體管的開關延遲時間決定的，但其余部分與傳播延遲失配有關。在這方面，光隔離器顯然不如磁隔離技術。

應用示例

為了說明死區(qū)時間對電機電流失真的影響，下面給出了基于三相逆變的開環(huán)電機驅動的結果。逆變器柵極驅動器采用ADI公司的磁隔離器(ADuM4223ADuM4223)， 直接驅動IR的IRG7PH46UDPBF 1200 V IGBT。直流母線電壓為700 V。逆變器驅動開環(huán)V/f控制模式下的三相感應電機。利用阻性分壓器和分流電阻，并結合隔離式∑–? 調制器(同樣是來自ADI公司的AD7403)，分別測量線電壓和相電流。各調制器輸出的單位數(shù)據(jù)流被送至控制處理器(ADI公司的ADSP-CM408)的sinc濾波器，數(shù)據(jù)在其中進行濾波和抽取后，產生電壓和電流信號的精確表示。

sinc數(shù)字濾波器輸出的線電壓實測結果如圖5所示。實際線電壓為10 kHz的高開關頻率波形，但它被數(shù)字濾波器濾除，以便顯示我們感興趣的低頻部分。相應的電機相電流如圖6 所示。

圖5. 實測線間電機電壓：(左)500 ns死區(qū)時間；(右)1 μs死區(qū)時間

圖6. 實測電機電流：(左)500 ns死區(qū)時間；(右)1μs死區(qū)時間

ADuM4223柵極驅動器的傳輸延遲失配為12 ns，因此可以使用IGBT開關所需的絕對最短死區(qū)時間。對于IR IGBT，最短死區(qū)時間可設置為500 ns。從左圖可看出，這種情況下的電壓失真極小。同樣，相電流也是很好的正弦波，因此扭矩紋波極小。右圖顯示死區(qū)時間提高到1 μs時的線電壓和相電流。此值更能代表光耦合柵極驅動器的需求，因為其傳播延遲失配和漂移更大。電壓和電流的失真均有明顯增加。這種情況使用的感應電機是相對較小的高阻抗電機。在更高功率的終端應用中，感應電機阻抗通常要低得多，導致電機電流失真和扭矩紋波增加。扭矩紋波在很多應用中都會產生有害影響，例如：電梯乘坐舒適度下降或機械系統(tǒng)中的軸承/聯(lián)軸器磨損。

過流關斷

現(xiàn)代柵極驅動器的另一個重要問題是處理器發(fā)出的關斷命令能以多快的速度在IGBT上實現(xiàn)。這對于以下情況中的過流關斷很重要：過流檢測不是柵極驅動器本身的一部分，而是作為檢測與濾波電路的一部分加以實現(xiàn)。這方面的另一個壓力是更高效率IGBT的短路耐受時間縮短。對此，IGBT技術的趨勢是從業(yè)界標準10μs縮短到5 μs甚至更短。如圖7所示，過流檢測電路通常需要數(shù)微秒時間來鎖存故障；為了順應總體發(fā)展趨勢，必須采取措施來縮短這一檢測時間。該路徑中的另一主要因素是從處理器/FPGA輸出到IGBT柵極(柵極驅動器)的傳播延遲。同樣，磁隔離器相對于光學器件有明顯優(yōu)勢，原因是前者的傳播延遲值非常小，通常在50 ns左右，不再是影響因素。相比之下，光耦合器的傳播延遲在500 ns左右，占到總時序預算的很大一部分。

圖7. 故障關斷時序

電機控制應用的柵極驅動器關斷時序如圖8所示，其中處理器的關斷命令跟在IGBT柵極發(fā)射極信號之后。從關斷信號開始到IGBT柵極驅動信號接近0的總延遲僅有72 ns。

圖8. 過流關斷柵極驅動器時序

小結

隨著人們更加關注系統(tǒng)性能、效率和安全，電機控制架構師在設計穩(wěn)健系統(tǒng)時面臨著日益復雜的挑戰(zhàn)。基于光耦合器的柵極驅動器是傳統(tǒng)選擇，但基于變壓器的解決方案不僅在功耗、速度、時間穩(wěn)定性上更具優(yōu)勢，而且如本文所述，由于信號延遲縮短，其在系統(tǒng)性能和安全方面也有明顯優(yōu)勢。這使得設計人員可以在防止上橋和下橋開關同時接通的同時，有把握地縮短死區(qū)時間，改善系統(tǒng)性能。此外，它還支持對系統(tǒng)命令和錯誤作出更快速的響應，這同樣能增強系統(tǒng)可靠性并提高安全性。鑒于這些優(yōu)勢，基于變壓器的隔離式柵極驅動器已成為電機控制系統(tǒng)設計的一個主要選擇；強烈建議系統(tǒng)設計人員在設計下一個項目時，把器件延遲作為一項重要要求。