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基于双变换UPS的全桥IGBT技术研究

- 编辑:宜春市空间模块有限公司 -

基于双变换UPS的全桥IGBT技术研究

  开发的低寄生电感模块。与传统的IGBT半桥模块设计习惯采用两条直流母线排的形式不同,Econo使用焊接式引脚方便使用PCB板叠层母线。这种封装形式的模块已在马达驱动中大量使用。通过在UPS领域引入这一设计概念,以期望实现设计者的长期愿望——低成本紧凑型的高可靠性产品。

  近二十年来,不间断电源随着信息设备的广泛使用而迅速普及,大量使用于信息设备和数据的保护。从不间断电源自身发展来看,很大程度依赖于电力电子技术发展,更依赖于电力电子器件的发展,如磁性材料,IGBT,Power MOSFET。在中大功率产品中IGBT取代GTO使得高频,高效率的SPWM逆变器进入商业应用,也使得有源PFC整流成为可能。在小功率方面,IGBT和POWER MOSFET,取代了BJT,使得效率大幅提高,体积重量大大降低,成本也有革命性的下降。

  在众多的UPS电路拓朴结构中,带输出变压器的双变换电路结构具有很强的生命力,它诞生于双极型三极管年代,十多年来整机电路原理没有什么突破,只是在控制电路和用户界面做了改进,逆变器顺着潮流采用了IGBT。可以说是IGBT给予这一电路形式的UPS持续的生命力。

  但是相对于近几年发展起来的高频链双变换UPS来说,其缺点也逐渐显露出来了,体积质量大,成本高,但是依赖其成熟的技术,几乎工业化的标准模块式结构和很高的可靠性,使它在市场拥有的份额并没有减小,而且产量越来越大,迫使各大UPS厂商寻找新的技术,以提高效率,降低成本。尤其效率的提高,能有效地减小散热器尺寸,减少后备电池容量,减小充电器功率,明显减小整机体积重量。如果10KVA UPS的8小时机型,提高2%的整机效率,可以减少使用相当12V 6.5AH电池20多节!

  (图1)所示,是一个典型的双变换UPS,输入交流电经过由D1~D4构成的全桥整流电路,整流得到220V~330V的直流母线送给直流母线,供逆变器,所以逆变器的输入电压范围为160~330V。为了输出220V的稳定交流电压,必然需要升压隔离式

  由于使用IGBT,逆变器一定会采用SPWM技术,且尽量提高调制频率来减小输出谐波分量,但是由于考虑IGBT的开关损耗,合理的调制频率在8~10kHz。如果直接采用全桥式单极性调制方式,逆变变压器有8~10kHz的谐波分量,会有明显的可闻运行噪声,如果进一步提高调制频率到20kHz可消除可闻运行噪声,在目前技术条件下,无论选用何种芯片技术的IGBT,都会明显增加开关损耗,整机效率降低,这是不可取的。

  现有的倍频式PWM调制技术就能很好的解决这一问题,只要采用两个反向的三角波,分别调制Q1和Q4,Q2和Q3,就能使输出的调制频率翻倍。这样一来就能保证IGBT 工作在最理想的状态,同时满足整机设计要求。

  为了简化讨论,我们讨论一个半桥臂的工作情况,参考图一。我们分析当逆变器Q1关闭时的电压电流波形,见(图2)。由于负载电感的电流不能突变,继续流过Q2,下部IGBT的中续流二极管。其电流变化速率di/dt在寄生电感上会产生一个压降ΔV=-Lσ×di/dt,它叠加在直流母线的电压尖峰,这个尖峰电压会损坏Q1。

  在常见的采用半桥IGBT模块并用并行直流母线连接的UPS设计,为了保护IGBT,使其工作在安全工作区RBSOA内,一般需要采用复杂的吸峰电路。成本高,且要消耗不少能量,有一典型的用于10kVA UPS逆变回路吸峰电路,需要80×80风扇冷却,这是UPS逆变电路亟待改进的地方。

  产生ΔV原因可以从下式可以看出:ΔV=-Lσ×di/dt,其与IGBT电流下降速率和回路的电感成正比。要减小尖峰电压,可以减小电流下降速率,就是通常说的关断比较软,但是会增加损耗;另一方法是减小电感,这个电感就是寄生电感。

  从原理上说寄生电感与回路包围的面积有关,在设计中,应该选用适当的低电感器件,而且器件布局尽量紧凑。

  那么如何在UPS设计中减小寄生电感,废除耗能的吸峰电路,u8出纳模块降低成本,这是UPS设计者关心的问题。

  目前UPS逆变器的功率管采用的是IGBT半桥功率模块,如eupec的BSM200GB60DLC。这些IGBT都采用了双极型三极管模块的封装。其体积大,成本高,自身的寄生电感也大。

  在IGBT发明时,在第一代IGBT开关速度不太快的前提下,厂商采用双极型三极管模块的封装国际工业标准,可以使得用户可以不改变整机结构的情况下,方便取代双极型三极管模块,其不失为一个很好的选择。

  结果是UPS厂商的逆变功率模块也始终按双极型三极管的半桥模块设计,这样一来引进比模块本身更大的寄生电感。寄生电感会在IGBT关断的过程中形成很大的尖峰电压。尤其当今IGBT的开关速度已很高了。

  那末如何来减小寄生电感是一个IGBT应用关键技术,最有效的方法是把并行母线改为叠层母线,减小回路包围的面积。对于并行母线,其母线宽度与母线nH,而叠层母线,这样寄生电感lσ仅为20~30nh,考虑其它因素,寄生电感lσ实际可以控制在100nh以下。

  为了使这一技术实用化,eupec公司在1994年制定了一种IGBT国际工业标准化的封装,即Econo,它是 第一个IGBT的封装。Econo有两种封装尺寸,即Econo2和Econo3,见(图3)。现有的主要产品是用于逆变器三相全桥模块。最近eupec推出单相全桥模块 Econo FourPACK ,其600V系列是专为UPS设计的,包括以下几种常用型号,见表一:

  Econo FourPACK系列模块由四个IGBT和四个反向续流二极管构成,它还包括温度检测 NTC,可用于超载,过温保护;对称的芯片分布,合理的管脚设计使得模块内部和功率组件设计寄生电感最小;引出脚按能量流向分布,母线设计,控制线设计更容易。所有引出脚采用可焊接针,这样便于设计双面覆铜板叠层直流母线,它有很小的寄生电感,如果与EconoBRIDGE 整流模块一起构成系统设计更方便,更能体现优良的性能。

  英飞凌第二代非穿透型NPT型IGBT芯片,大大提高了IGBT的强度,短路承受力强,开关更可靠,具有非常有效的短路电流限制特性,在VGE =15V时,不论短路内阻多么小,芯片会把短路电流限制在5~8倍的额定电流,如果在10祍内关断IGBT,IGBT不会因为过流损坏。短路电流限制特性使得IGBT工作非常可靠,

  短路保护电路很容易设计,且在极端情况下也不会剧烈爆炸,损坏PCB母线及相邻器件。

  栅的第三代600V IGBT,它采用场终止技术,优化了性能,饱和压降低达,工作温度高达150℃(允许最高结温175℃)。Eupec会将这种最新技术用在H桥模块上,以及推出更小规格的产品。

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