基于雙變換不間斷電源的全橋IGBT講解

　　科技的飛速發(fā)展為人們的生活帶來了便利，各種各樣的電源開始充斥著人們的生活。其中不間斷電源被大量使用在信息和數(shù)據(jù)保護(hù)設(shè)備上，不間斷電源的發(fā)展很大程度上是依賴于IGBT、Power MOSFET等電力電子器件的。UPS擁有較多的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這些電路當(dāng)中，帶輸出變壓器的雙變換電路結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是最為廣泛的。從被研發(fā)至今，這種電路結(jié)構(gòu)幾乎沒有經(jīng)過多少改造，而是僅僅在控制電路和用戶界面做了改進(jìn)。這就從側(cè)面說明了這種電路結(jié)構(gòu)的經(jīng)典性。

　　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(shì)，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(chǎng)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)。

　　典型的雙變換UPS

　　圖1，帶輸出變壓器的雙變換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8~10kH*********。如果直接采用全橋式單極性調(diào)制方式，逆變變壓器有8~10kH*********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20kH*********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。

　　實(shí)例講解

　　圖2

　　為了簡(jiǎn)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：

　　表1

　　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(cè) 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)論

　　本篇文章主要對(duì)雙變換UPS不間斷電源的全橋IGBT進(jìn)行了全方位的介紹，這種設(shè)計(jì)能夠在非常多的設(shè)計(jì)前提下對(duì)UPS不間斷電源進(jìn)行性能的整體提高，從而起到明顯降低成本的作用。希望大家在閱讀過本篇文章之后，能對(duì)這種全橋IGBT有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和理解。