基于双变换不间断电源的全桥IGBT讲解

　　科技的飞速发展为人们的生活带来了便利，各种各样的电源开始充斥着人们的生活。其中不间断电源被大量使用在信息和数据保护设备上，不间断电源的发展很大程度上是依赖于IGBT、Power MOSFET等电力电子器件的。UPS拥有较多的电路拓扑结构，在这些电路当中，带输出变压器的双变换电路结构的应用是最为广泛的。从被研发至今，这种电路结构几乎没有经过多少改造，而是仅仅在控制电路和用户界面做了改进。这就从侧面说明了这种电路结构的经典性。

　　但即便是经典，也在近几年的科技冲击下逐渐显示出劣势，相较于大热的高频链双变换UPS，传统的双变换电路结构的缺点已经逐渐暴露出来，但是依赖其成熟的技术，几乎工业化的标准模块式结构和很高的可靠性，使它在市场拥有的份额并没有减小，而且产量越来越大，迫使各大UPS厂商寻找新的技术，以提高效率，降低成本。尤其效率的提高，能有效地减小散热器尺寸，减少后备电池容量，减小充电器功率，明显减小整机体积重量。如果10KVA UPS的8小时机型，提高2%的整机效率，可以减少使用相当12V 6.5AH电池20多节。

　　典型的双变换UPS

　　图1，带输出变压器的双变换UPS

　　如图1所示，是一个典型的双变换UPS，输入交流电经过由D1~D4构成的全桥整流电路，整流得到220V~330V的直流母线电压，电池电压范围为160V~220V，通过隔离二极管D5送给直流母线，供逆变器，所以逆变器的输入电压范围为160~330V。为了输出220V的稳定交流电压，必然需要升压隔离式逆变变压器T1并采用SPWM调制技术。

　　由于使用IGBT，逆变器一定会采用SPWM技术，且尽量提高调制频率来减小输出谐波分量，但是由于考虑IGBT的开关损耗，合理的调制频率在8~10kH*********。如果直接采用全桥式单极性调制方式，逆变变压器有8~10kH*********的谐波分量，会有明显的可闻运行噪声，如果进一步提高调制频率到20kH*********可消除可闻运行噪声，在目前技术条件下，无论选用何种芯片技术的IGBT，都会明显增加开关损耗，整机效率降低，这是不可取的。

　　现有的倍频式PWM调制技术就能很好的解决这一问题，只要采用两个反向的三角波，分别调制Q1和Q4，Q2和Q3，就能使输出的调制频率翻倍。这样一来就能保证IGBT 工作在最理想的状态，同时满足整机设计要求。

　　实例讲解

　　图2

　　为了简化讨论，这里讨论一个半桥臂的工作情况，参考图1。我们分析当逆变器Q1关闭时的电压电流波形，见图2。由于负载电感的电流不能突变，继续流过Q2，下部IGBT的中续流二极管。其电流变化速率di/dt在寄生电感上会产生一个压降ΔV=-Lσ×di/dt，它叠加在直流母线上，可以看作在关断Q1的电压尖峰，这个尖峰电压会损坏Q1。

　　在常见的采用半桥IGBT模块并用并行直流母线连接的UPS设计，为了保护IGBT，使其工作在安全工作区RBSOA内，一般需要采用复杂的吸峰电路。成本高，且要消耗不少能量，有一典型的用于10kVA UPS逆变回路吸峰电路，需要80×80风扇冷却，这是UPS逆变电路亟待改进的地方。

　　产生ΔV原因可以从下式可以看出：ΔV=-Lσ×di/dt，其与IGBT电流下降速率和回路的电感成正比。要减小尖峰电压，可以减小电流下降速率，就是通常说的关断比较软，但是会增加损耗;另一方法是减小电感，这个电感就是寄生电感。

　　从原理上说寄生电感与回路包围的面积有关，在设计中，应该选用适当的低电感器件，而且器件布局尽量紧凑。那么如何在UPS设计中减小寄生电感，废除耗能的吸峰电路，降低成本，这是UPS设计者关心的问题。

　　目前UPS逆变器的功率管采用的是IGBT半桥功率模块，如EUPEC的BSM200GB60DLC。这些IGBT都采用了双极型三极管模块的封装。其体积大，成本高，自身的寄生电感也大。

　　在IGBT发明时，在第一代IGBT开关速度不太快的前提下，厂商采用双极型三极管模块的封装国际工业标准，可以使得用户在不改变整机结构的情况下，方便取代双极型三极管模块，其不失为一个很好的选择。

　　结果是UPS厂商的逆变功率模块也始终按双极型三极管的半桥模块设计，这样一来引进比模块本身更大的寄生电感。寄生电感会在IGBT关断的过程中形成很大的尖峰电压。尤其当今IGBT的开关速度已很高了。

　　那么如何来减小寄生电感是一个IGBT应用关键技术，最有效的方法是把并行母线改为叠层母线，减小回路包围的面积。对于并行母线，其母线宽度与母线距离之比a/b>1，其寄生电感Lσ>300nH，而叠层母线很容易做到a/b<0.01,这样寄生电感Lσ仅为20~30nH，考虑其它因素，寄生电感Lσ实际可以控制在100nH以下。

　　封装的改进

　　为了使这一技术实用化，EUPEC公司在1994年制定了一种IGBT国际工业标准化的封装，即Econo，它是第一个IGBT的封装。Econo有两种封装尺寸，即Econo2和Econo3，见(图3)。现有的主要产品是用于逆变器三相全桥模块。最近EUPEC推出单相全桥模块 Econo FourPACK ,其600V系列是专为UPS设计的，包括以下几种常用型号，见表1：

　　表1

　　Econo FourPACK系列模块由四个IGBT和四个反向续流二极管构成，它还包括温度检测 NTC，可用于超载、过温保护等。对称的芯片分布，合理的管脚设计使得模块内部和功率组件设计寄生电感最小;引出脚按能量流向分布，母线设计，控制线设计更容易。所有引出脚采用可焊接针，这样便于设计双面覆铜板叠层直流母线，它有很小的寄生电感，如果与EconoBRIDGE 整流模块一起构成系统设计更方便，更能体现优良的性能。

　　结论

　　本篇文章主要对双变换UPS不间断电源的全桥IGBT进行了全方位的介绍，这种设计能够在非常多的设计前提下对UPS不间断电源进行性能的整体提高，从而起到明显降低成本的作用。希望大家在阅读过本篇文章之后，能对这种全桥IGBT有进一步的认识和理解。