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“全線曝光”剖析雙變換不間斷電源中的全橋IGBT

發(fā)布時(shí)間:2014-11-05 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】隨著科技的發(fā)展,各種各樣的電源接踵而至。不間斷電源在信息和數(shù)據(jù)保護(hù)設(shè)備中廣泛應(yīng)用。不間斷電源的發(fā)展與IGBT,Power MOSFET等電力電子器件密不可分。帶輸出變壓器的雙變換電路在拓?fù)潆娐分惺菓?yīng)用最廣泛的。

但即便是經(jīng)典,也在近幾年的科技沖擊下逐漸顯示出劣勢,相較于大熱的高頻鏈雙變換UPS,傳統(tǒng)的雙變換電路結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)已經(jīng)逐漸暴露出來,但是依賴其成熟的技術(shù),幾乎工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)模塊式結(jié)構(gòu)和很高的可靠性,使它在市場擁有的份額并沒有減小,而且產(chǎn)量越來越大,迫使各大UPS廠商尋找新的技術(shù),以提高效率,降低成本。尤其效率的提高,能有效地減小散熱器尺寸,減少后備電池容量,減小充電器功率,明顯減小整機(jī)體積重量。如果10KVA UPS的8小時(shí)機(jī)型,提高2%的整機(jī)效率,可以減少使用相當(dāng)12V 6.5AH電池20多節(jié)。

雙變換UPS 的應(yīng)用

“全線曝光”剖析雙變換不間斷電源中的全橋IGBT
圖1:典型的雙變換UPS
 
如圖1所示,是一個(gè)典型的雙變換UPS,輸入交流電經(jīng)過由D1~D4構(gòu)成的全橋整流電路,整流得到220V~330V的直流母線電壓,電池電壓范圍為160V~220V,通過隔離二極管D5送給直流母線,供逆變器,所以逆變器的輸入電壓范圍為160~330V。為了輸出220V的穩(wěn)定交流電壓,必然需要升壓隔離式逆變變壓器T1并采用SPWM調(diào)制技術(shù)。

由于使用IGBT,逆變器一定會(huì)采用SPWM技術(shù),且盡量提高調(diào)制頻率來減小輸出諧波分量,但是由于考慮IGBT的開關(guān)損耗,合理的調(diào)制頻率在8~10kHz。如果直接采用全橋式單極性調(diào)制方式,逆變變壓器有8~10kHz的諧波分量,會(huì)有明顯的可聞運(yùn)行噪聲,如果進(jìn)一步提高調(diào)制頻率到20kHz可消除可聞運(yùn)行噪聲,在目前技術(shù)條件下,無論選用何種芯片技術(shù)的IGBT,都會(huì)明顯增加開關(guān)損耗,整機(jī)效率降低,這是不可取的。

現(xiàn)有的倍頻式PWM調(diào)制技術(shù)就能很好的解決這一問題,只要采用兩個(gè)反向的三角波,分別調(diào)制Q1和Q4,Q2和Q3,就能使輸出的調(diào)制頻率翻倍。這樣一來就能保證IGBT 工作在最理想的狀態(tài),同時(shí)滿足整機(jī)設(shè)計(jì)要求。
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實(shí)例解析

“全線曝光”剖析雙變換不間斷電源中的全橋IGBT
圖2:半橋臂工作情況
 
為了簡化討論,這里討論一個(gè)半橋臂的工作情況,參考圖1。我們分析當(dāng)逆變器Q1關(guān)閉時(shí)的電壓電流波形,見圖2。由于負(fù)載電感的電流不能突變,繼續(xù)流過Q2,下部IGBT的中續(xù)流二極管。其電流變化速率di/dt在寄生電感上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降ΔV=-Lσ×di/dt,它疊加在直流母線上,可以看作在關(guān)斷Q1的電壓尖峰,這個(gè)尖峰電壓會(huì)損壞Q1。

在常見的采用半橋IGBT模塊并用并行直流母線連接的UPS設(shè)計(jì),為了保護(hù)IGBT,使其工作在安全工作區(qū)RBSOA內(nèi),一般需要采用復(fù)雜的吸峰電路。成本高,且要消耗不少能量,有一典型的用于10kVA UPS逆變回路吸峰電路,需要80×80風(fēng)扇冷卻,這是UPS逆變電路亟待改進(jìn)的地方。

產(chǎn)生ΔV原因可以從下式可以看出:ΔV=-Lσ×di/dt,其與IGBT電流下降速率和回路的電感成正比。要減小尖峰電壓,可以減小電流下降速率,就是通常說的關(guān)斷比較軟,但是會(huì)增加損耗;另一方法是減小電感,這個(gè)電感就是寄生電感。

從原理上說寄生電感與回路包圍的面積有關(guān),在設(shè)計(jì)中,應(yīng)該選用適當(dāng)?shù)牡碗姼衅骷?,而且器件布局盡量緊湊。那么如何在UPS設(shè)計(jì)中減小寄生電感,廢除耗能的吸峰電路,降低成本,這是UPS設(shè)計(jì)者關(guān)心的問題。

目前UPS逆變器的功率管采用的是IGBT半橋功率模塊,如EUPEC的BSM200GB60DLC。這些IGBT都采用了雙極型三極管模塊的封裝。其體積大,成本高,自身的寄生電感也大。

在IGBT發(fā)明時(shí),在第一代IGBT開關(guān)速度不太快的前提下,廠商采用雙極型三極管模塊的封裝國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),可以使得用戶在不改變整機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下,方便取代雙極型三極管模塊,其不失為一個(gè)很好的選擇。

結(jié)果是UPS廠商的逆變功率模塊也始終按雙極型三極管的半橋模塊設(shè)計(jì),這樣一來引進(jìn)比模塊本身更大的寄生電感。寄生電感會(huì)在IGBT關(guān)斷的過程中形成很大的尖峰電壓。尤其當(dāng)今IGBT的開關(guān)速度已很高了。

那么如何來減小寄生電感是一個(gè)IGBT應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù),最有效的方法是把并行母線改為疊層母線,減小回路包圍的面積。對(duì)于并行母線,其母線寬度與母線距離之比a/b>1,其寄生電感Lσ>300nH,而疊層母線很容易做到a/b<0.01,這樣寄生電感Lσ僅為20~30nH,考慮其它因素,寄生電感Lσ實(shí)際可以控制在100nH以下。

封裝的改進(jìn)

為了使這一技術(shù)實(shí)用化,EUPEC公司在1994年制定了一種IGBT國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的封裝,即Econo,它是第一個(gè)IGBT的封裝。Econo有兩種封裝尺寸,即Econo2和Econo3,見(圖3)?,F(xiàn)有的主要產(chǎn)品是用于逆變器三相全橋模塊。最近EUPEC推出單相全橋模塊 Econo FourPACK ,其600V系列是專為UPS設(shè)計(jì)的,包括以下幾種常用型號(hào),見表1:

“全線曝光”剖析雙變換不間斷電源中的全橋IGBT
 
Econo FourPACK系列模塊由四個(gè)IGBT和四個(gè)反向續(xù)流二極管構(gòu)成,它還包括溫度檢測 NTC,可用于超載、過溫保護(hù)等。對(duì)稱的芯片分布,合理的管腳設(shè)計(jì)使得模塊內(nèi)部和功率組件設(shè)計(jì)寄生電感最小;引出腳按能量流向分布,母線設(shè)計(jì),控制線設(shè)計(jì)更容易。所有引出腳采用可焊接針,這樣便于設(shè)計(jì)雙面覆銅板疊層直流母線,它有很小的寄生電感,如果與EconoBRIDGE 整流模塊一起構(gòu)成系統(tǒng)設(shè)計(jì)更方便,更能體現(xiàn)優(yōu)良的性能。

結(jié)語

本文剖析了雙變換UPS不間斷電源中的全橋IGBT,這種設(shè)計(jì)方案能夠大大提高整體性能,降低了成本。希望讀者閱讀完本文后,能夠?qū)θ珮騃GBT有系統(tǒng)的理解。

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