新穎的自動恒流放電系統(tǒng)的方案設計

3 估算發(fā)熱

根據上述對ＩＧＢＴ的分析研究,三棱Ｈ系列ＩＧＢＴ器件—ＣＴ６０是基于第三代ＩＧＢＴ技術和續(xù)流二極管技術,為功率電路設計、緩沖電路（吸收回路）設計及熱設計而采用的大功率器件。它的最大允許峰值電壓ＶＣＥＳ為１０００Ｖ;最大通過峰值電流ＩＣ為６０Ａ;Ｔ＝２５°Ｃ時ＩＧＢＴ的最大允許功耗為２５０Ｗ;Ｔ＝２５°Ｃ時ＩＧＢＴ結溫的允許范圍為－４０～１５０°Ｃ;在規(guī)定條件和額定集電極電流下,ＩＧＢＴ的飽和壓降（通態(tài)電壓）ＶＣＥ（ｓａｔ）為２．６Ｖ;開通和過渡時間ｔｄｏｎ　為０．１５μｓ;上升時間ｔｒ為０．３μｓ;關斷過渡時間ｔｄｏｆｆ　為０．３μｓ;續(xù)流二極管的正向壓降ＶＥＣ為３Ｖ。

由此可知最大導通功耗：

ＰＳＳ＝ＶＣＥ（ｓａｔ）×ＩＣ×ｎ＝２．６×２５×０．８５＝５５．２５Ｗ

而開關損耗

ＰＳＷ＝（０．７＋６．２　×２０＝６．９×２０＝１３８Ｗ

則ＩＧＢＴ的總功耗

ＰＣ＝ＰＳＳ＋ＰＳＷ＝１９３．２５Ｗ＜２５０Ｗ（額定功耗值）

在計算了ＩＧＢＴ的總平均功耗ＰＣ＝１９３．２５Ｗ后,就可估算ＩＧＢＴ表面部分的平均結溫Ｔｊ＝Ｔｃ＋Ｐｃ×Ｒｔｈ（ｊ－ｃ）,其中Ｔｃ為環(huán)境溫度（假設環(huán)境溫度為３０°Ｃ）,Ｐｃ為總平均功耗,Ｒｔｈ（ｊ－ｃ）為標定的結殼熱阻（查ＣＴ６０的標定結殼熱阻為０．４°Ｃ／Ｗ）,則ＩＧＢＴ的表面平均結溫：

Ｔｊ＝Ｔｃ＋Ｐｃ×Ｒｔｈ（ｊ－ｃ）＝３０＋１９３．２５×０．４＝１０７．３°Ｃ

通過計算可知,不能忽視ＩＧＢＴ在運行中所發(fā)生的巨大導通功耗和開關功耗。而這些功耗通常表現為熱,所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導到外部環(huán)境中去。當把ＩＧＢＴ安裝在散熱器上時,還應注意避免安裝受力不均勻,因此使用平面度為１５０μｍ的散熱器。為了達到有效地把熱量傳導到外部散熱器,在傳熱界面要選擇使用在工作溫度內性能穩(wěn)定并且在裝置壽命期內性能不發(fā)生變化的導熱硅脂。

4 系統(tǒng)保護

由于實際的功率電路線路中總有寄生漏電感,當ＩＧＢＴ被關斷時,感性負載中的電流不可能立刻發(fā)生變化,該負載電感兩端產生阻止母線電流減少的電壓Ｖ（Ｖ＝Ｌｄｉ／ｄｔ）。它與電源電壓相迭加并以浪涌電壓的形式加在ＩＧＢＴ的兩端。在極端情況下,該浪涌電壓會超過ＩＧＢＴ的額定值Ｖｃｅｓ并導致它損壞。在ＩＧＢＴ功率回路中引起浪涌電壓的能量與１／２ＬｐＩ２成比例,Ｌｐ是母線的寄生電感,Ｉ是工作電流。由此可見,在使用大電流的器件時更加需要降低功率回路的電感。因此為了得到一種適合大電流工作的低母線電感電路,就需要特殊的母線結構。有交錯鍍銅層和絕緣層構層的迭層母線設計,可以使電感量降低。迭層母線中被絕緣層隔離的寬板用于正極和負極母線的連接,這種寬板起到了防止功率回路中寄生電感的作用。

其次,好的緩沖電路可以有效控制浪涌電壓的關斷和用續(xù)流二極管恢復浪涌電壓,用以減少功率器件的開關損耗。ＩＧＢＴ緩沖電路與傳統(tǒng)的雙極晶體管緩沖電路存在兩個方面的區(qū)別：一是ＩＧＢＴ具有強大的開關工作區(qū),緩沖電路只需控制瞬態(tài)電壓而不需要保護就可以抑制伴生達林頓晶體管的二次擊穿超限;二是ＩＧＢＴ常工作在比達林頓高得多的頻率范圍。三種ＩＧＢＴ緩沖電路如圖３所示。

緩沖電路“Ｂ”使用快恢復二極管可箝住瞬變電壓,從而抑制振蕩的發(fā)生。緩沖電路“Ｂ”的ＲＣ時間常數,應該設為該開關周期的約１／３（τ＝Ｔ／３＝１／３ｆ）。但對于大功率級別的ＩＧＢＴ工作,緩沖電路“Ｂ”的回路寄生電感將變得很大,以至不能有效地控制瞬變電壓。由于大功率ＩＧＢＴ電路需要極低電感量的緩沖電路,而且緩沖電路必須盡可能地聯(lián)到ＩＧＢＴ上,設計緩沖電路時,得考慮二極管封裝內的寄生電感和緩沖電容引線的寄生電感。通常,小電容并聯(lián)或二極管并聯(lián)產生的電感量比大的單電容或單二極管產生的電感量更低。

ＩＧＢＴ在運行中會有導通功耗與開關功耗發(fā)生。這些功耗通常表現為熱,所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導到外部環(huán)境中去。如熱系統(tǒng)設計不當,功率器件將過熱并導致?lián)p壞。導通損耗伴隨ＩＧＢＴ處于通態(tài)并傳導電流而發(fā)生。導通期間的總功耗是由通態(tài)飽和電壓與通態(tài)電流的乘積來計算的。在ＰＷＭ的應用中,導通損耗須與占空比因子相乘,從而得到平均功率。導通損耗的一次近似可通過ＩＧＢＴ的額定ＶＣＥ（ｓａｔ）值與期待的器件平均電流值的乘積來得到,即ＰＳＳ＝ＶＣＥｓａｔ　×Ｉｃ。開關損耗是在ＩＧＢＴ開通與關斷過渡過程期間的功率損耗。當ＰＷＭ信號頻率高于５ｋＨｚ時,開關損耗會非常顯著,一定要在熱設計中予以考慮。得到開關損耗的最精確的方法是測量在開關過渡過程中Ｉｃ與Ｖｃｅ的波形。將此波形逐點相乘,從而得到功率的瞬時波形,此功率波形下面的面積就是以焦耳／脈沖為單位的開關能量,這一面積通常通過作圖積分來計算?？傞_關能量是開通與關斷過程所耗能量之和,平均開關損耗是由單脈沖總開關能量[１]與ＰＷＭ頻率相乘得到,即：平均開關功耗ＰＳＷ＝ｆＰＷＭ×[ＥＳＷ(ｏｎ)＋ＥＳＷ(ｏｆｆ)]。而總功耗為導通功耗與開關功耗之和,即ＰＣ＝ＰＳＳ＋ＰＳＷ。此放電系統(tǒng)也將利用該公式來估算ＩＧＢＴ器件的平均功耗。

5 ＰＣＢ的總體可靠性設計

良好的電路布局是保證設備和電路安全運行及長壽命的重要前提,同時工藝限制也對ＰＣＢ提出了嚴格的要求,應遵循以下幾條原則：

·ＰＣＢ可靠性設計應做到系統(tǒng)集成化、專業(yè)化設計?？傮w考慮電源地線布置、去耦與排線設計。區(qū)域分配應注意模擬電路、數字電路、功率器件的布局[２]。

·可靠的電源、地線設計應做到模擬、數字的分別供電,減少地線公共阻抗,防止形成地線回路,同時保證一點接地以及電源入口的去耦設計。

該自動恒流放電模塊可配合智能蓄電池組監(jiān)測系統(tǒng)使用,當放電時放電電流連續(xù)可調,此時智能蓄電池組監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測每節(jié)電池的電壓變化,當有任一節(jié)電池電壓低于設定值時（或交流停電）,放電自動停止,顯示放電時間,并予以記錄。該模塊也可單獨使用,當放電時放電電流連續(xù)可調,此時需人工監(jiān)測每節(jié)電池的電壓,控制放電模塊停止放電。本設備使用簡單,安全可靠,恒流精度高,可廣泛應用于需要對蓄電池或電源進行恒流負載放電的場合。