Dead-time Tuning 深度 — 桥臂 DT 选取 + SiC vs IGBT 取值

桥臂工作时序 + DT 在中间的位置:

DT 的根源:switching 不是瞬时的。上管 turn-off 需 $tf$(50-300ns SiC,1-3μs IGBT),下管 turn-on 需 $tr$。若 PWM 不插入 DT,两个过程会重叠 → 桥臂瞬时短路。

DT 必须满足:

$DT\ge tf+tmargin$

$tmargin$ 包含:温度漂移 + 老化 + Vbus 变化引起的 $tf$ 差异,一般 50-100%。

DT 太短最致命:

• 上管 tail current + 下管 turn-on 重叠
• 桥臂瞬时短路 → 电流由器件饱和电流 $Id,sat$(高 Vds 下 transconductance 限流,非 ohmic)限定,本 die 量级 ≈ 1-2 kA(注:ohmic 上界 Vbus/Rds_on(2) = 800V/42mΩ ≈ 19 kA 不真实,实际被沟道饱和钳住)
• 持续 50-200 ns 即可炸 die
• 实测:Wolfspeed C3M0021120K 不耐 1μs 短路

典型 root cause:

• DT 配置错(MCU PWM 初始化 bug)
• 温度漂移 $tf$ 增大,DT 不变 → 不够
• driver IC 内部 propagation delay 误估
• PCB Vgs Lparas 引起 turn-off ring

DT 太长 4 个性能问题:

• 输出 THD ↑ — DT 期间 Vout 由电感电流方向决定;电感电流 ↑ → Vout 跌到 -Vd(下管 body diode);电感电流 ↓ → Vout 升到 Vbus+Vd
• 力矩波动 + 噪声 — Vout 阶跃 → 电流谐波 → 力矩 ripple → NVH 问题
• 效率 ↓ — DT 期间 body diode 导通,$Vd\times I$ 损耗;SiC body diode $Vd$ ~3V,损耗显著
• 电压增益 ↓ — DT 占 PWM 周期比例越大,有效 duty cycle 越小
• EMI 增加 — body diode reverse recovery 引入额外 di/dt

不同器件 DT 范围差 1-2 个数量级:

结论:

• SiC vs IGBT 关键差异 — SiC 短 DT 让 PWM 高频化 (20kHz+) 可行,损耗低
• GaN OBC — 极短 DT 利于高频化 (500kHz LLC)
• Si MOSFET LV — 中等 DT,辅助电源 / DC-DC 用

DT compensation 是 EV 主驱必备算法,3 步走:

ASIL D 主驱 DT 必满足:

Wolfspeed CRD-22DD12N (22kW SiC half-bridge) 实测:

最优选择:DT = 300 ns,留 50% margin,THD 可接受,效率 98.4%。

主流 driver IC 把 DT 做成可配置 pin:

实战:driver IC DT 是最后一道保险,主 DT 由 MCU PWM 生成,driver IC DT 防 MCU bug。

国产 driver IC dead-time:

• 东微电子 DG33XX — DT 100ns-2μs,对标 1ED3491
• 力源芯 LYM200 — DT 200ns-5μs,IGBT 用
• 杰华特 JW — driver IC 入门款,DT 固定

国产 driver IC DT 功能已接近 Tier 1,但 cert 跟不上(ISO 26262 cert 部分缺失)。

Dead-time 是桥臂安全的最后一道防线 — SiC 200-500ns,IGBT 2-5μs。DT 太短 → 桥臂短路烧管,DT 太长 → 失真 + 力矩波动。EV 主驱 ASIL D 必带 DT compensation + DT margin ≥ 2× tf + DT sweep 验证;driver IC DT pin 是最后保险。新项目 commission 必跑 DT sweep,从 100ns 到 2μs 扫一遍,找 shoot-through 边界 + 失真曲线最优点。