新穎的自動恒流放電系統(tǒng)的方案設(shè)計
3 估算發(fā)熱
根據(jù)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(shù)和續(xù)流二極管技術(shù),為功率電路設(shè)計、緩沖電路(吸收回路)設(shè)計及熱設(shè)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(jié)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(guān)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(dǎo)通功耗:
PSS=VCE(sat)×IC×n=2.6×25×0.85=55.25W
而開關(guān)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(jié)溫Tj=Tc+Pc×Rth(j-c),其中Tc為環(huán)境溫度(假設(shè)環(huán)境溫度為30°C),Pc為總平均功耗,Rth(j-c)為標(biāo)定的結(jié)殼熱阻(查CT60的標(biāo)定結(jié)殼熱阻為0.4°C/W),則IGBT的表面平均結(jié)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(dǎo)通功耗和開關(guān)功耗。而這些功耗通常表現(xiàn)為熱,所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導(dǎo)到外部環(huán)境中去。當(dāng)把IGBT安裝在散熱器上時,還應(yīng)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(dá)到有效地把熱量傳導(dǎo)到外部散熱器,在傳熱界面要選擇使用在工作溫度內(nèi)性能穩(wěn)定并且在裝置壽命期內(nèi)性能不發(fā)生變化的導(dǎo)熱硅脂。
4 系統(tǒng)保護(hù)
由于實際的功率電路線路中總有寄生漏電感,當(dāng)IGBT被關(guān)斷時,感性負(fù)載中的電流不可能立刻發(fā)生變化,該負(fù)載電感兩端產(chǎn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)。有交錯鍍銅層和絕緣層構(gòu)層的迭層母線設(shè)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(fù)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(guān)斷和用續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓,用以減少功率器件的開關(guān)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(guān)工作區(qū),緩沖電路只需控制瞬態(tài)電壓而不需要保護(hù)就可以抑制伴生達(dá)林頓晶體管的二次擊穿超限;二是IGBT常工作在比達(dá)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(fù)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(shù),應(yīng)該設(shè)為該開關(guān)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(shè)計緩沖電路時,得考慮二極管封裝內(nèi)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(chǎn)生的電感量比大的單電容或單二極管產(chǎn)生的電感量更低。
IGBT在運行中會有導(dǎo)通功耗與開關(guān)功耗發(fā)生。這些功耗通常表現(xiàn)為熱,所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導(dǎo)到外部環(huán)境中去。如熱系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng),功率器件將過熱并導(dǎo)致?lián)p壞。導(dǎo)通損耗伴隨IGBT處于通態(tài)并傳導(dǎo)電流而發(fā)生。導(dǎo)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(yīng)用中,導(dǎo)通損耗須與占空比因子相乘,從而得到平均功率。導(dǎo)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(guān)損耗是在IGBT開通與關(guān)斷過渡過程期間的功率損耗。當(dāng)PWM信號頻率高于5kHz時,開關(guān)損耗會非常顯著,一定要在熱設(shè)計中予以考慮。得到開關(guān)損耗的最精確的方法是測量在開關(guān)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(guān)能量,這一面積通常通過作圖積分來計算。總開關(guān)能量是開通與關(guān)斷過程所耗能量之和,平均開關(guān)損耗是由單脈沖總開關(guān)能量[1]與PWM頻率相乘得到,即:平均開關(guān)功耗PSW=fPWM×[ESW(on)+ESW(off)]。而總功耗為導(dǎo)通功耗與開關(guān)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(shè)計
良好的電路布局是保證設(shè)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(yán)格的要求,應(yīng)遵循以下幾條原則:
·PCB可靠性設(shè)計應(yīng)做到系統(tǒng)集成化、專業(yè)化設(shè)計??傮w考慮電源地線布置、去耦與排線設(shè)計。區(qū)域分配應(yīng)注意模擬電路、數(shù)字電路、功率器件的布局[2]。
·可靠的電源、地線設(shè)計應(yīng)做到模擬、數(shù)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(shè)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(dāng)放電時放電電流連續(xù)可調(diào),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(dāng)有任一節(jié)電池電壓低于設(shè)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(dāng)放電時放電電流連續(xù)可調(diào),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(shè)備使用簡單,安全可靠,恒流精度高,可廣泛應(yīng)用于需要對蓄電池或電源進(jìn)行恒流負(fù)載放電的場合。
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