發布日期：2022-07-24 點擊率：173
【導讀】隨著科技的發展，各種各樣的電源接踵而至。不間斷電源在信息和數據保護設備中廣泛應用。不間斷電源的發展與IGBT，Power MOSFET等電力電子器件密不可分。帶輸出變壓器的雙變換電路在拓撲電路中是應用最廣泛的。
但即便是經典，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，傳統的雙變換電路結構的缺點已經逐漸暴露出來，但是依賴其成熟的技術，幾乎工業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。
雙變換UPS 的應用
圖1：典型的雙變換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，合理的調制頻率在8~10kHz。如果直接采用全橋式單極性調制方式，逆變變壓器有8~10kHz的諧波分量，會有明顯的可聞運行噪聲，如果進一步提高調制頻率到20kHz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。
現有的倍頻式PWM調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，分別調制Q1和Q4，Q2和Q3，就能使輸出的調制頻率翻倍。這樣一來就能保證IGBT 工作在最理想的狀態，同時滿足整機設計要求。
[page]
實例解析
圖2：半橋臂工作情況
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，繼續流過Q2，下部IGBT的中續流二極管。其電流變化速率di/dt在寄生電感上會產生一個壓降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RBSOA內，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，應該選用適當的低電感器件，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)。現有的主要產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：
Econo FourPACK系列模塊由四個IGBT和四個反向續流二極管構成，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設計更方便，更能體現優良的性能。
結語
本文剖析了雙變換UPS不間斷電源中的全橋IGBT，這種設計方案能夠大大提高整體性能，降低了成本。希望讀者閱讀完本文后，能夠對全橋IGBT有系統的理解。
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 好奇：自有感測器設計
