【導讀】本文介紹了加強型隔離DC/DC轉換器在IGBT系統中的作用，主要通過電力電子的標準開關、DC/DC轉換器的強度測試、與同類比較及IGBT應用的綜合產品系列方面進行詳細說明。
IGBT，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，它是在需要快速切換的應用中必不可少的電子器件。因為它們通常在高壓下工作，驅動器電子設備和電源之間隔離的質量決定了整個電路的可靠性。本文介紹了加強型隔離DC/DC轉換器在IGBT系統中的作用。
當前可再生能源高速發展，加快了“綠色電子”的開發。如今，電力來自可再生能源，主要來自風力渦輪機和太陽能發電廠。光伏電池產生的直流電流，其電流強度是通過所獲取的陽光強度而確定的。風力渦輪機產生交流電，但頻率取決于風速。因此，這兩種形式的電力都不適合直接輸送到電網，都需要轉換。
這就需要通過高效、大功率的逆變器裝置來實現的。第一步，生成一個等幅的直流電壓。第二步，再轉換成高頻電流，并將加入脈寬調制。IGBT（絕緣的柵雙極型晶體管）作為快速動作的電源開關，它的驅動器是通過小型DC/ DC轉換器來供電的，具有良好的隔離。隔離的質量決定了整個系統的可靠性。
圖1：帶助推器和逆變器（頂部）的太陽能發電廠功能圖。每個IGBT驅動器都有一個良好的帶隔離的DC/DC轉換器供電。設備通過一個高頻PWM信號控制，這個信號輸出平滑的正弦波（左）。
電力電子的標準開關
類似于MOSFET，IGBT是小電流驅動的大功率元件，就像雙極晶體管，它們可以在一個極低的集電極-發射極電壓下工作。驅動功率小而飽和壓降低這使它們成為理想的開關。
在簡單的逆變器里，兩個相位相反的IGBT由一個頻率至少是10kHz 的PWM信號控制。要想達到令人滿意的效率，開關的間隙必須非常陡峭。然而由于控制信號是由微型控制器產生的，間隙角度太低，所以不能直接驅動IGBT。因此有必要使用IGBT驅動器使切換速率加速到1000V/µs左右。由于IGBT往往在高電位浮動，非隔離控制邏輯必須通過光電耦合器隔離。此外，驅動器的供電電壓一般在+15V到-9V之間，也需要隔離。這可以通過隔離的DC/DC轉換器來實現。
[page]DC/DC轉換器的強度測試
乍一看，對DC/DC轉換器隔離電壓的要求似乎不是特別嚴格的。因為AC電壓的峰值沒有超過650V，根據相對應的通用公式，我們可以假設1秒鐘2kVDC的隔離電壓就足夠了。然而，實際上事情要復雜得多。
圖2：變壓器和其周邊的元件分布的區域確定隔離的質量。RECOM的REC3.5提供高達10kVDC/sec的隔離
一個DC/DC轉換器的隔離，以及變壓器周圍的空氣、路徑和爬電路徑通常指定的測試頻率為50Hz。出于效率原因，IGBT開關的工作頻率明顯高于10kHz，甚至300kHz也并不少見。在這樣的頻率下，電磁元件和材料表現出完全不同的工作狀態。由于開關速率（1000V/µs左右）極高的dV/dt致使電壓峰值幅度非常大，變化沿對DC/DC轉換器的隔離施加著額外的壓力，這是由于耦合電容和其他隱藏的電容出現在導電線路和變壓器之間的電路中。然而，采用適當的測量技術測量出的結果并不是很可靠。這是由于事實上一連上示波器探頭，系統的運作狀態就變了。一個測得的電壓峰值，例如是2kV，已經通過探頭衰減，因此實際的峰值可能會高得多。
這種峰值沒有現成的公式進行計算，所以不能準確地得出電磁材質在高頻率下的工作狀態。因此有必要根據經驗值預留一個充足的安全緩沖區。從以往的經驗來看，我們知道一個IGBT電路的使用壽命直接取決于DC/DC轉換器的隔離質量。然而，更好的隔離并不是機械地等同于有一個較高的隔離電壓，而是通常指大家已知的醫療電子領域的加強型隔離質量。必須注意，上述影響一般不會立即導致缺陷或故障出現。類似于一個堤壩，它受到高水壓作用的時間越長，它就會變的越弱，然后突然破裂。同理，接近極限荷載越頻繁，往往將導致DC/ DC轉換器的隔離屏障最終出現故障。這會對整個系統產生災難性的后果。
同類比較
在某些規格書中，隔離電壓的測試時間有可能是1秒鐘或者1分鐘甚至是一個連續的長時間。測試加載時間越長，其測試電壓就會越低。為了使用戶能夠準確地確定這個關鍵值，RECOM提供一個CD光盤尺寸大少的免費ISO計算工具。一個隔離電壓時間規格的轉換器。只要發送郵件到info@recom-electronic.com 即可免費索取ISO計算器。另外，在網站www.recom-electronic.com上也可以找到這個在線工具。
圖3：RECOM的數據光盤收錄了所有隔離規格的相關參考值
除了測試電壓高低之外，隔離的質量也是非常重要的。隔離最簡單的形式，被稱為功能隔離，是通過變壓器來實現的，就是將初級繞組和次級繞組，一個直接繞在另一個的上面。漆包線的絕緣層可以耐受測試電壓1000VDC/1s。然而，這個絕緣層會隨著時間的推移而變脆弱，特別是如果它被暴露在較高的環境溫度、濕度、振動就更容易變弱。在某些階段，即使規格書介紹的與此相反，它也可能會失效。
這就是為什么UL定義了三種不同的隔離等級，明確提出電氣間隙和爬電距離。電氣間隙是兩點之間的直線距離，爬電距離是沿著表面的路徑。要符合最低UL“基礎”等級，一個24VDC輸入電壓的轉換器，它的電氣間隙和爬電距離分別是0.5mm和1.0mm。要達到“補充”等級，這些值要翻倍達到1.0mm和2.0mm。要達到加強隔離的最高等級，上述的轉換器必須要滿足2.0mm和4.0mm的電氣間隙和爬電距離，這已是“基礎”等級的四倍了。
圖4：UL規格中加強隔離的醫療電子的電氣間隙和爬電間隙，使IGBT電路提高了安全性。
加強型隔離對醫療電子設備是非常必要的。在電力電子里沒有相應的規格。然而我們可以假設在設備有效壽命的使用過程中，帶有加強型隔離的轉換器會比帶基礎隔離或只有功能隔離的轉換器受到更好的保護，防止應力發生。這就是為什么盡管成本會稍高，可越來越多制造商還是在IGBT應用中選擇使用加強型隔離DC/DC轉換器。RECOM有自己的新的變壓器概念，它已經能做出更小巧的帶加強型隔離的轉換器，而且還更低價。這意味著安全不再是價錢的問題了。
[page]IGBT應用的綜合產品系列
除了眾多隔離功能的轉換器之外，RECOM提供1W和2W高隔離轉換器產品——RK（4000VDC/1s），RP（5200VDC/1s）和RV（6000VDC/1s）。這些轉換器已經廣泛使用在IGBT應用中。RECOM推出的最新系列是RxxPxx和RxxP2xx系列，它們各自有6400VDC和8000VDC/1s隔離電壓。它們的額定功率為1W或2W，也是加強型隔離轉換器，小巧的SIP7封裝。RV系列中的2W版本，現在也提供DIP24封裝，可方便安裝到現有的設計方案。因為效率接近88%，工作溫度可以高達+85°C，所以無須主動冷卻或降額使用。
圖5：盡管設計復雜，1W和2W系列也提供高達8kV/DC/秒的加強隔離
兩個較大功率的REC系列，有8000VDC或10,000VDC/1s的隔離電壓，DIP24封裝。在3.5W和6W下，它們的功率相比同類無加強型隔離的產品高出大概20%，它有高達86%的效率。這也使得當REC3.5在+85°C的工作溫度下和REC6在+75°C的工作溫度下無須主動冷卻或降額使用。外殼允許的最高溫度可達+105°C。
盡管隔離設計復雜很多，上述產品也只是比傳統技術轉換器的價格稍微高一點。所有產品都按照RECOM轉換器的慣例享有三年保修。在開發階段，所有的產品都在RECOM的環境實驗室經過大量的HALT試驗，以確保其使用壽命。
