基于雙變換UPS的全橋IGBT技術(shù)研究

模塊是一種專門為緊湊型全橋輸出的不間斷電源開發(fā)的低寄生電感模塊。與傳統(tǒng)的IGBT半橋模塊設(shè)計(jì)習(xí)慣采用兩條直流母線排的形式不同，Econo 封裝使用焊接式引腳方便使用PCB板疊層母線。這種封裝形式的模塊已在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)中大量使用。通過在UPS領(lǐng)域引入這一設(shè)計(jì)概念，以期望實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的長期愿望——低成本緊湊型的高可靠性產(chǎn)品。

UPS設(shè)計(jì)的趨勢

近二十年來，不間斷電源隨著信息設(shè)備的廣泛使用而迅速普及，大量使用于信息設(shè)備和數(shù)據(jù)的保護(hù)。從不間斷電源自身發(fā)展來看，很大程度依賴于電力電子技術(shù)發(fā)展，更依賴于電力電子器件的發(fā)展，如磁性材料，IGBT，Power MOSFET。在中大功率產(chǎn)品中IGBT取代GTO使得高頻，高效率的SPWM逆變器進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用，也使得有源PFC整流成為可能。在小功率方面，IGBT和POWER MOSFET，取代了BJT，使得效率大幅提高，體積重量大大降低，成本也有革命性的下降。

在眾多的UPS電路拓樸結(jié)構(gòu)中，帶輸出變壓器的雙變換電路結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的生命力，它誕生于雙極型三極管年代，十多年來整機(jī)電路原理沒有什么突破，只是在控制電路和用戶界面做了改進(jìn)，逆變器順著潮流采用了IGBT。可以說是IGBT給予這一電路形式的UPS持續(xù)的生命力。

但是相對于近幾年發(fā)展起來的高頻鏈雙變換UPS來說，其缺點(diǎn)也逐漸顯露出來了，體積質(zhì)量大，成本高，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)！

現(xiàn)有設(shè)計(jì)和不足

（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)（D6并非必須，僅為商品整流橋的一部分）。

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8~10kHz。如果直接采用全橋式單極性調(diào)制方式，逆變變壓器有8~10kHz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20kHz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。

為了簡化討論，我們討論一個(gè)半橋臂的工作情況，參考圖一。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。

IGBT Q1的關(guān)斷波形

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)，可以使得用戶可以不改變整機(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。

那末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，見表一：

表1，Econo FourPACK 600V IGBT參數(shù)

圖3， Econo 封裝的IGBT模塊

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 NTC，可用于超載，過溫保護(hù)；對稱的芯片分布，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??；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。

Econo 封裝能符合UPS的安全標(biāo)準(zhǔn)，IEC62040-1-1，和IEC62040-1-2。

芯片技術(shù)及其比較

EconoFourPACK 600V系列采用第二代非穿透型NPT型IGBT芯片，和EmCon反向續(xù)流二極管。它還包括溫度檢測 NTC，可用于超載，過溫保護(hù)。

英飛凌第二代非穿透型NPT型IGBT芯片，大大提高了IGBT的強(qiáng)度，短路承受力強(qiáng)，開關(guān)更可靠，具有非常有效的短路電流限制特性，在VGE =15V時(shí)，不論短路內(nèi)阻多么小，芯片會(huì)把短路電流限制在5~8倍的額定電流，如果在10祍內(nèi)關(guān)斷IGBT，IGBT不會(huì)因?yàn)檫^流損壞。短路電流限制特性使得IGBT工作非?？煽浚?strong>短路保護(hù)電路很容易設(shè)計(jì)，且在極端情況下也不會(huì)劇烈爆炸，損壞PCB母線及相鄰器件。

EmCon二極管為高頻軟恢復(fù)二極管，反向恢復(fù)電荷少，最大反向恢復(fù)電流小，見（圖4）。這使得電磁兼容EMC設(shè)計(jì)較容易，實(shí)現(xiàn)成本低。

圖4，EmCon 快恢復(fù)二極管特性

新一代IGBT在封裝技術(shù)、芯片技術(shù)上都有明顯優(yōu)勢。以200A 600V IGBT模塊為例，見表2。封裝底面尺寸僅為半橋的86%，在實(shí)際安裝情況下占散熱器面積可減小為50%，安裝也較為簡單，所需螺絲從10只減少到4只，安裝誤差容易控制，這都意味著降低成本。其寄生電感也只有50%。

表2，IGBT的主要參數(shù)

由于采用Al2O3的基板和銅散熱底板，管座對散熱器的熱阻大大減小，僅為40%，但由于四個(gè)IGBT封裝在一起，總功率幾乎翻倍，所以實(shí)際熱阻為80%。

當(dāng)設(shè)計(jì)大功率UPS系統(tǒng)時(shí)，NPT-IGBT具有的正溫度系數(shù)的飽和電壓以及溫度系數(shù)很小的拖尾電流使得模塊很容易并聯(lián)。（PT型IGBT ，如一個(gè)200A，600V的常用型號把Vce sat 在1.85V~2.80V之間分了5檔，以便于并聯(lián)時(shí)選擇。

芯片及解決方案

Infineon/eupec 已經(jīng)推出了溝道柵的第三代600V IGBT，它采用場終止技術(shù)，優(yōu)化了性能，飽和壓降低達(dá)，工作溫度高達(dá)150℃（允許最高結(jié)溫175℃）。Eupec會(huì)將這種最新技術(shù)用在H橋模塊上，以及推出更小規(guī)格的產(chǎn)品。

一個(gè)英飛凌的UPS系統(tǒng)解決方案：

全橋逆變器: eupec Econo FourPACK F4-200R06KL4

整流器和隔離二極管: eupec EcnoBRIDGETM DDB6U84N16R

IGBT Driver: eupec EiceDRIVERTM 1ED020I12-S

EiceDRIVER是個(gè)基于無鐵芯變壓器CLT技術(shù)的2A IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片，它安全隔離性能好，延遲時(shí)間短，抗dv/dt 能力強(qiáng)，不再需要使用光電耦合器。

成本上的考慮

Econo FourPACK 是新產(chǎn)品，正處于推廣發(fā)展階段，而半橋模塊價(jià)格空間很小，所以這種全橋模塊更有價(jià)格優(yōu)勢。它損耗低，熱阻小，所以系統(tǒng)成本低。

焊接式引出腳可以采用波峰焊，自動(dòng)化程度高，加工成本低，質(zhì)量好。

采用Econo FourPACK，UPS的功率單元比采用半橋模塊如BSM可降低20~30%，實(shí)際上由于系統(tǒng)效率提高，總體成本更低。

結(jié)論

Econo FourPACK 600V IGBT 系列是基于帶輸出變壓器的雙變換UPS的優(yōu)化產(chǎn)品。它可以在不改變太多設(shè)計(jì)的前提下，提高UPS整體性能和可靠性，明顯降低成本。替代半橋電路時(shí)，只需用PCB疊層結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)直流母線，簡單地改變一下IGBT安裝方法。