但即便是經(jīng)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(tǒng)的雙變換電路結(jié)構(gòu)的缺點已經(jīng)逐漸暴露出來,但是依賴其成熟的技術(shù),幾乎工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)模塊式結(jié)構(gòu)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(chǎn)量越來越大,迫使各大UPS廠商尋找新的技術(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(jī)體積重量。如果10KVA UPS的8小時機(jī)型,提高2%的整機(jī)效率,可以減少使用相當(dāng)12V 6.5AH電池20多節(jié)。
雙變換UPS 的應(yīng)用
圖1:典型的雙變換UPS
由于使用IGBT,逆變器一定會采用SPWM技術(shù),且盡量提高調(diào)制頻率來減小輸出諧波分量,但是由于考慮IGBT的開關(guān)損耗,合理的調(diào)制頻率在8~10kHz。如果直接采用全橋式單極性調(diào)制方式,逆變變壓器有8~10kHz的諧波分量,會有明顯的可聞運(yùn)行噪聲,如果進(jìn)一步提高調(diào)制頻率到20kHz可消除可聞運(yùn)行噪聲,在目前技術(shù)條件下,無論選用何種芯片技術(shù)的IGBT,都會明顯增加開關(guān)損耗,整機(jī)效率降低,這是不可取的。
現(xiàn)有的倍頻式PWM調(diào)制技術(shù)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(diào)制Q1和Q4,Q2和Q3,就能使輸出的調(diào)制頻率翻倍。這樣一來就能保證IGBT 工作在最理想的狀態(tài),同時滿足整機(jī)設(shè)計要求。
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實例解析
圖2:半橋臂工作情況
在常見的采用半橋IGBT模塊并用并行直流母線連接的UPS設(shè)計,為了保護(hù)IGBT,使其工作在安全工作區(qū)RBSOA內(nèi),一般需要采用復(fù)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,就是通常說的關(guān)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(guān),在設(shè)計中,應(yīng)該選用適當(dāng)?shù)牡碗姼衅骷?,而且器件布局盡量緊湊。那么如何在UPS設(shè)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(shè)計者關(guān)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(fā)明時,在第一代IGBT開關(guān)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(yè)標(biāo)準(zhǔn),可以使得用戶在不改變整機(jī)結(jié)構(gòu)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(jié)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(shè)計,這樣一來引進(jìn)比模塊本身更大的寄生電感。寄生電感會在IGBT關(guān)斷的過程中形成很大的尖峰電壓。尤其當(dāng)今IGBT的開關(guān)速度已很高了。
那么如何來減小寄生電感是一個IGBT應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù),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(jìn)
為了使這一技術(shù)實用化,EUPEC公司在1994年制定了一種IGBT國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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系列是專為UPS設(shè)計的,包括以下幾種常用型號,見表1:
結(jié)語
本文剖析了雙變換UPS不間斷電源中的全橋IGBT,這種設(shè)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?qū)θ珮騃GBT有系統(tǒng)的理解。
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