基于雙變換UPS的全橋IGBT技術(shù)研究

模塊是一種專(zhuān)門(mén)為緊湊型全橋輸出的不間斷電源開(kāi)發(fā)的低寄生電感模塊。與傳統的IGBT半橋模塊設計習慣采用兩條直流母線(xiàn)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(xiàn)。這種封裝形式的模塊已在馬達驅動(dòng)中大量使用。通過(guò)在UPS領(lǐng)域引入這一設計概念，以期望實(shí)現設計者的長(cháng)期愿望——低成本緊湊型的高可靠性產(chǎn)品。

UPS設計的趨勢

近二十年來(lái)，不間斷電源隨著(zhù)信息設備的廣泛使用而迅速普及，大量使用于信息設備和數據的保護。從不間斷電源自身發(fā)展來(lái)看，很大程度依賴(lài)于電力電子技術(shù)發(fā)展，更依賴(lài)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電路拓樸結構中，帶輸出變壓器的雙變換電路結構具有很強的生命力，它誕生于雙極型三極管年代，十多年來(lái)整機電路原理沒(méi)有什么突破，只是在控制電路和用戶(hù)界面做了改進(jìn)，逆變器順著(zhù)潮流采用了IGBT?？梢哉f(shuō)是IGBT給予這一電路形式的UPS持續的生命力。

但是相對于近幾年發(fā)展起來(lái)的高頻鏈雙變換UPS來(lái)說(shuō)，其缺點(diǎn)也逐漸顯露出來(lái)了，體積質(zhì)量大，成本高，但是依賴(lài)其成熟的技術(shù)，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(chǎng)擁有的份額并沒(méi)有減小，而且產(chǎn)量越來(lái)越大，迫使各大UPS廠(chǎng)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，明顯減小整機體積重量。如果10KVA UPS的8小時(shí)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！

現有設計和不足

（圖1）所示，是一個(gè)典型的雙變換UPS，輸入交流電經(jīng)過(guò)由D1~D4構成的全橋整流電路，整流得到220V~330V的直流母線(xiàn)電壓，電池電壓范圍為160V~220V，通過(guò)隔離二極管D5送給直流母線(xiàn)，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(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)，且盡量提高調制頻率來(lái)減小輸出諧波分量，但是由于考慮IGBT的開(kāi)關(guān)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(huì )有明顯的可聞運行噪聲，如果進(jìn)一步提高調制頻率到20kHz可消除可聞運行噪聲，在目前技術(shù)條件下，無(wú)論選用何種芯片技術(shù)的IGBT，都會(huì )明顯增加開(kāi)關(guān)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(shù)就能很好的解決這一問(wèn)題，只要采用兩個(gè)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(lái)就能保證IGBT 工作在最理想的狀態(tài)，同時(shí)滿(mǎn)足整機設計要求。

為了簡(jiǎn)化討論，我們討論一個(gè)半橋臂的工作情況，參考圖一。我們分析當逆變器Q1關(guān)閉時(shí)的電壓電流波形，見(jiàn)（圖2）。由于負載電感的電流不能突變，繼續流過(guò)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(huì )產(chǎn)生一個(gè)壓降ΔV=-Lσ×di/dt，它疊加在直流母線(xiàn)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(jiàn)的采用半橋IGBT模塊并用并行直流母線(xiàn)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(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(shuō)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(shuō)寄生電感與回路包圍的面積有關(guān)，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(guān)心的問(wèn)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(kāi)關(guān)速度不太快的前提下，廠(chǎng)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(hù)可以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(gè)很好的選擇。

結果是UPS廠(chǎng)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(lái)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(guò)程中形成很大的尖峰電壓。尤其當今IGBT的開(kāi)關(guān)速度已很高了。

那末如何來(lái)減小寄生電感是一個(gè)IGBT應用關(guān)鍵技術(shù)，最有效的方法是把并行母線(xiàn)改為疊層母線(xiàn)，減小回路包圍的面積。對于并行母線(xiàn)，其母線(xiàn)寬度與母線(xiàn)距離之比a/b>1，其寄生電感Lσ>300nH，而疊層母線(xiàn)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)標準化的封裝，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(jiàn)（圖3）?，F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(zhuān)為UPS設計的，包括以下幾種常用型號，見(jiàn)表一：

表1，Econo FourPACK 600V IGBT參數

圖3， Econo 封裝的IGBT模塊

Econo FourPACK系列模塊由四個(gè)IGBT和四個(gè)反向續流二極管構成，它還包括溫度檢測 NTC，可用于超載，過(guò)溫保護；對稱(chēng)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??；引出腳按能量流向分布，母線(xiàn)設計，控制線(xiàn)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(xiàn)，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(yōu)良的性能。

Econo 封裝能符合UPS的安全標準，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反向續流二極管。它還包括溫度檢測 NTC，可用于超載，過(guò)溫保護。

英飛凌第二代非穿透型NPT型IGBT芯片，大大提高了IGBT的強度，短路承受力強，開(kāi)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祍內關(guān)斷IGBT，IGBT不會(huì )因為過(guò)流損壞。短路電流限制特性使得IGBT工作非?？煽?，短路保護電路很容易設計，且在極端情況下也不會(huì )劇烈爆炸，損壞PCB母線(xiàn)及相鄰器件。

EmCon二極管為高頻軟恢復二極管，反向恢復電荷少，最大反向恢復電流小，見(jiàn)（圖4）。這使得電磁兼容EMC設計較容易，實(shí)現成本低。

圖4，EmCon 快恢復二極管特性

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(jiàn)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(jiǎn)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(zhù)降低成本。其寄生電感也只有50%。

表2，IGBT的主要參數

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%。

當設計大功率UPS系統時(shí)，NPT-IGBT具有的正溫度系數的飽和電壓以及溫度系數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(chǎng)終止技術(shù)，優(yōu)化了性能，飽和壓降低達，工作溫度高達150℃（允許最高結溫175℃）。Eupec會(huì )將這種最新技術(shù)用在H橋模塊上，以及推出更小規格的產(chǎn)品。

一個(gè)英飛凌的UPS系統解決方案：

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(wú)鐵芯變壓器CLT技術(shù)的2A IGBT 驅動(dòng)芯片，它安全隔離性能好，延遲時(shí)間短，抗dv/dt 能力強，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)際上由于系統效率提高，總體成本更低。

結論

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計的前提下，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疊層結構重新設計直流母線(xiàn)，簡(jiǎn)單地改變一下IGBT安裝方法。