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)保護設備上，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擁有較多的電路拓撲結構，在這些電路當中，帶輸出變壓器的雙變換電路結構的應用是最為廣泛的。從被研發(fā)至今，這種電路結構幾乎沒有經(jīng)過多少改造，而是僅僅在控制電路和用戶界面做了改進。這就從側面說明了這種電路結構的經(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，相較于大熱的高頻鏈雙變換UPS，傳統(tǒng)的雙變換電路結構的缺點已經(jīng)逐漸暴露出來，但是依賴其成熟的技術，幾乎工業(yè)化的標準模塊式結構和很高的可靠性，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，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，明顯減小整機體積重量。如果10KVA UPS的8小時機型，提高2%的整機效率，可以減少使用相當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，是一個典型的雙變換UPS，輸入交流電經(jīng)過由D1~D4構成的全橋整流電路，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。

　　由于使用IGBT，逆變器一定會采用SPWM技術，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，會有明顯的可聞運行噪聲，如果進一步提高調(diào)制頻率到20kH*********可消除可聞運行噪聲，在目前技術條件下，無論選用何種芯片技術的IGBT，都會明顯增加開關損耗，整機效率降低，這是不可取的。

　　現(xiàn)有的倍頻式PWM調(diào)制技術就能很好的解決這一問題，只要采用兩個反向的三角波，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)，同時滿足整機設計要求。

　　實例講解

　　圖2

　　為了簡化討論，這里討論一個半橋臂的工作情況，參考圖1。我們分析當逆變器Q1關閉時的電壓電流波形，見圖2。由于負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在寄生電感上會產(chǎn)生一個壓降ΔV=-Lσ×di/dt，它疊加在直流母線上，可以看作在關斷Q1的電壓尖峰，這個尖峰電壓會損壞Q1。

　　在常見的采用半橋IGBT模塊并用并行直流母線連接的UPS設計，為了保護IGBT，使其工作在安全工作區(qū)RBSOA內(nèi)，一般需要采用復雜的吸峰電路。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風扇冷卻，這是UPS逆變電路亟待改進的地方。

　　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，就是通常說的關斷比較軟，但是會增加損耗;另一方法是減小電感，這個電感就是寄生電感。

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

　　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，在第一代IGBT開關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)標準，可以使得用戶在不改變整機結構的情況下，方便取代雙極型三極管模塊，其不失為一個很好的選擇。

　　結果是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計，這樣一來引進比模塊本身更大的寄生電感。寄生電感會在IGBT關斷的過程中形成很大的尖峰電壓。尤其當今IGBT的開關速度已很高了。

　　那么如何來減小寄生電感是一個IGBT應用關鍵技術，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實際可以控制在100nH以下。

　　封裝的改進

　　為了使這一技術實用化，EUPEC公司在1994年制定了一種IGBT國際工業(yè)標準化的封裝，即Econo，它是第一個IGBT的封裝。Econo有兩種封裝尺寸，即Econo2和Econo3，見(圖3)。現(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設計的，包括以下幾種常用型號，見表1：

　　表1

　　Econo FourPACK系列模塊由四個IGBT和四個反向續(xù)流二極管構成，它還包括溫度檢測 NTC，可用于超載、過溫保護等。對稱的芯片分布，合理的管腳設計使得模塊內(nèi)部和功率組件設計寄生電感最小;引出腳按能量流向分布，母線設計，控制線設計更容易。所有引出腳采用可焊接針，這樣便于設計雙面覆銅板疊層直流母線，它有很小的寄生電感，如果與EconoBRIDGE 整流模塊一起構成系統(tǒng)設計更方便，更能體現(xiàn)優(yōu)良的性能。

　　結論

　　本篇文章主要對雙變換UPS不間斷電源的全橋IGBT進行了全方位的介紹，這種設計能夠在非常多的設計前提下對UPS不間斷電源進行性能的整體提高，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，能對這種全橋IGBT有進一步的認識和理解。