基于双变换UPS的全桥IGBT技术研究

时间：2019-03-01 11:40:01

关键字：电源技术解析双变换ups igbt技术

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[导读]模块是一种专门为紧凑型全桥输出的不间断电源开发的低寄生电感模块。与传统的IGBT半桥模块设计习惯采用两条直流母线排的形式不同，Econo 封装使用焊接式引脚方便使用PCB板叠

模块是一种专门为紧凑型全桥输出的不间断电源开发的低寄生电感模块。与传统的IGBT半桥模块设计习惯采用两条直流母线排的形式不同，Econo 封装使用焊接式引脚方便使用PCB板叠层母线。这种封装形式的模块已在马达驱动中大量使用。通过在UPS领域引入这一设计概念，以期望实现设计者的长期愿望——低成本紧凑型的高可靠性产品。

UPS设计的趋势

近二十年来，不间断电源随着信息设备的广泛使用而迅速普及，大量使用于信息设备和数据的保护。从不间断电源自身发展来看，很大程度依赖于电力电子技术发展，更依赖于电力电子器件的发展，如磁性材料，IGBT，Power MOSFET。在中大功率产品中IGBT取代GTO使得高频，高效率的SPWM逆变器进入商业应用，也使得有源PFC整流成为可能。在小功率方面，IGBT和POWER MOSFET，取代了BJT，使得效率大幅提高，体积重量大大降低，成本也有革命性的下降。

在众多的UPS电路拓朴结构中，带输出变压器的双变换电路结构具有很强的生命力，它诞生于双极型三极管年代，十多年来整机电路原理没有什么突破，只是在控制电路和用户界面做了改进，逆变器顺着潮流采用了IGBT。可以说是IGBT给予这一电路形式的UPS持续的生命力。

但是相对于近几年发展起来的高频链双变换UPS来说，其缺点也逐渐显露出来了，体积质量大，成本高，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！

现有设计和不足

（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（D6并非必须，仅为商品整流桥的一部分）。

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8~10kHz。如果直接采用全桥式单极性调制方式，逆变变压器有8~10kHz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20kHz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。

为了简化讨论，我们讨论一个半桥臂的工作情况，参考图一。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。

IGBT Q1的关断波形

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，可以使得用户可以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。

那末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，见表一：

表1，Econo FourPACK 600V IGBT参数

图3， Econo 封装的IGBT模块

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；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。

Econo 封装能符合UPS的安全标准，IEC62040-1-1，和IEC62040-1-2。

芯片技术及其比较

EconoFourPACK 600V系列采用第二代非穿透型NPT型IGBT芯片，和EmCon反向续流二极管。它还包括温度检测 NTC，可用于超载，过温保护。

英飞凌第二代非穿透型NPT型IGBT芯片，大大提高了IGBT的强度，短路承受力强，开关更可靠，具有非常有效的短路电流限制特性，在VGE =15V时，不论短路内阻多么小，芯片会把短路电流限制在5~8倍的额定电流，如果在10祍内关断IGBT，IGBT不会因为过流损坏。短路电流限制特性使得IGBT工作非常可靠，短路保护电路很容易设计，且在极端情况下也不会剧烈爆炸，损坏PCB母线及相邻器件。

EmCon二极管为高频软恢复二极管，反向恢复电荷少，最大反向恢复电流小，见（图4）。这使得电磁兼容EMC设计较容易，实现成本低。

图4，EmCon 快恢复二极管特性

新一代IGBT在封装技术、芯片技术上都有明显优势。以200A 600V IGBT模块为例，见表2。封装底面尺寸仅为半桥的86%，在实际安装情况下占散热器面积可减小为50%，安装也较为简单，所需螺丝从10只减少到4只，安装误差容易控制，这都意味着降低成本。其寄生电感也只有50%。

表2，IGBT的主要参数

由于采用Al2O3的基板和铜散热底板，管座对散热器的热阻大大减小，仅为40%，但由于四个IGBT封装在一起，总功率几乎翻倍，所以实际热阻为80%。

当设计大功率UPS系统时，NPT-IGBT具有的正温度系数的饱和电压以及温度系数很小的拖尾电流使得模块很容易并联。（PT型IGBT ，如一个200A，600V的常用型号把Vce sat 在1.85V~2.80V之间分了5档，以便于并联时选择。

芯片及解决方案

Infineon/eupec 已经推出了沟道栅的第三代600V IGBT，它采用场终止技术，优化了性能，饱和压降低达，工作温度高达150℃（允许最高结温175℃）。Eupec会将这种最新技术用在H桥模块上，以及推出更小规格的产品。

一个英飞凌的UPS系统解决方案：

全桥逆变器: eupec Econo FourPACK F4-200R06KL4

整流器和隔离二极管: eupec EcnoBRIDGETM DDB6U84N16R

IGBT Driver: eupec EiceDRIVERTM 1ED020I12-S