采用突波吸收电容减小UPS直流总线电压

　众所周知，逆变器是UPS的核心部分，逆变器的性能决定了UPS的输出性能指标。在一个由整流器、逆变器、充电器等组成的UPS中（如图1），逆变器不但要承受来自负载的冲击，还要随时对直流总线电压的波动进行调整。大量的统计数据证明，直流总线电压的异常波动和负载的冲击是造成逆变器故障的主要原因。在UPS实际运用过程中，负载的冲击不可避免，而稳定直流总线电压、减小直流总线电压的纹波却是可以做到的。

图1　UPS结构框图
　　直流总线电压的纹波主要由整流输入电压的波动和逆变器IGBT开关的反冲电压回馈至直流总线形成。如果纹波过大，就会造成整流滤波电容温升过高，寿命缩短，同时加大了逆变器PWM调节频繁程度，容易造成控制电路不稳定而导致故障发生。由于直流总线直接和外部电池连接，过高的直流总线纹波电压还会成为EMI干扰源。
　　在整流器输出端减小市电造成的50Hz电压纹波主要采用大容量的铝电解电容器并联，而对于逆变器高频开关反冲电压形成的电压纹波则要寻求新的途径来解决。如图2是一个20KVAUPS的桥式整流滤波电路和逆变电路，其中直流总线上的滤波电容由六个2200μF/600WV的电解电容并联组成。逆变电路的PWM频率为20KHz，在每个IGBT模块上安装了如图3所示的RCD吸收回路。在该UPS带载16KW达到30分钟情况下，测得的直流总线电压波形如图4所示，直流总线电压纹波的峰峰值达到 120V，吸收回路上的电阻R温度达到95°C,温升变化为2.5°C/分钟。如果去掉吸收 回路上的电阻R，则由于直流总线上的纹波依然存在，IGBT关断后的反冲电压将沿吸收回路上的D和C泄放，造成D温升过快损坏，甚至使IGBT损坏。因此直流总线电压纹波过大还影响到了吸收回路的正常工作。

[p]

　　原因分析：直流总线电压纹波过大，是由于IGBT在高速开关状态下的电流浪涌突波形成的。这是因为纹波的频率正好是IGBT的开关频率,纹波的波谷和波峰对应着IGBT的开通和关断（如图5所示）。铝电解电容器由于其结构特点，在低频电路中的等效串联电阻很小，但是在高频电路中其等效串联电阻就显得过大，不能抑制高频电压纹波。因此尽管在直流总线上并联了大容量的铝电解电容器，但是高频电压纹波依然存在。

　 [p] 　解决直流总线高频电压纹波问题的方案主要有以下两个：
　　1. 加大IGBT上的尖峰吸收回路的浪涌抑制能力，即减小IGBT上的尖峰吸收回路的R的阻值，加大R、D的功率，加大C的容量，改善散热条件。
　　2. 采用高频等效串联电阻小的突波吸收电容并联在直流总线上直接减小纹波电压。
　　在上述第一个方案中，如果直接减小R的阻值，加大R的功率，增加C的容量，则会造成IGBT的开关损耗增加，如果要加大D的功率，只有并联D并加散热片。该方案不但增加了电路损耗和器件发热量，降低了效率，使IGBT工作可靠性降低，而且由于吸收电路安装位置有限，工艺上很难达到要求。该方案被否定。
　　在第二个方案中，如果直接在电解电容上并联4μF的突波吸收电容Ct,观察到的效果并不理想，而直接在IGBT模块的C1E2上并联突波吸收电容Ct，直流总线纹波电压明显减小。
　　原因分析：由于IGBT发热，工艺上要求整流滤波电解电容器与IGBT散热器之间拉开一段距离。在大电流高频率开关情况下，由于电流在导线中流动具有趋肤效应，因此连接于IGBT与电解电容器之间的连接导线电阻加大，虽然在滤波电解电容器上并联了Ct，滤波效果并不显著。而如果直接将Ct并联于IGBT模块的C1E2端时，由于Ct的等效串联电阻很小，IGBT关断时逆变变压器原边绕组释放出的能量将沿IGBT上的反并联二极管Dx首先对Ct充电，Ct发挥电压箝位作用，直流总线纹波电压明显减小。因此突波吸收电容在直流总线上接入的位置要紧靠IGBT才能发挥作用。
　　IGBT功率管截止时，变压器漏感能量等于Ct吸收的能量，则有

　　式中，LLK为变压器漏感，IIP为变压器原边电感电流峰值，UCE为IGBT最大集-射极电压，Ureset为电容Ct的初始电压，Ui为整流输出直流电压[3]。
　　由于突波吸收电容跨接在直流总线上， Ct上的能量将在IGBT的下一个开通周期流入变压器，从而提高了能量的利用效率。突波吸收电容的等效串联电阻很小，因此Ct的温升也很小。接入Ct后IGBT的开关安全性没有受到影响。
　　可以推测，4μF的突波吸收电容对于一台开关电流峰值达200A的20KVAUPS来说太小，因此增加Ct的容量可以进一步降低直流总线纹波电压，接入Ct的位置仍然是每一个IGBT模块的C1E2端。
　 [p] 　继续加大突波吸收电容至30μF时，直流总线上的纹波峰峰值降低到20V（如图6所示）,IGBT上的吸收回路在环境温度为25°C时，电阻R的温度在45°C达到平衡。该方案获得了成功。

　　如果继续加大Ct的容量至60μF，则直流总线上的纹波峰峰值降低到10V，这说明通过增加Ct的容量以降低纹波的效果在逐步下降，而突波电容的容量在成倍上升，其Ct安装位置空间不足的矛盾开始突出（如图7所示）。对于400V直流总线的逆变电路而言，20V的纹波已经可以忍受, 因此选择Ct的容量为30μF是较为适合的。

图7　突波电容容量与纹波抑制效果
　　综上可见，在高频逆变电路中采用高频等效串联电阻小的突波吸收电容能达到很好的抑制直流总线纹波的效果，具有经济、可靠、发热量小、工艺简单等优点，但是要注意结合电路选择接入点和合适的电容容量。

参考文献

1. 中国电源学会.全国电源技术年会论文集. 中国电源协会编辑委员会.扬州.1997,10
2. 中国电源学会.全国电源技术年会论文集. 中国电源协会编辑委员会.深圳.1999,11
3. 林胜阳，陈道炼.电力电子变换器及内辅助开关电源的设计与实现.电源世界.2003,1