【導讀】IGBT在電力電子領域發(fā)揮著至關重要的作用，是不可或缺的組成部分。還廣泛應用于高電壓、大功率負載切換。在這種情況下，必須使用具有良好絕緣性能的隔離電源轉(zhuǎn)換器，以確保綠色能源要求，能夠安全可靠地為我們服務。那么如何實現(xiàn)IGBT平滑切換的不對稱輸出呢？本文將為大家講解。
為了利用風能和太陽能等可再生能源，我們需要使用安全可靠、功能齊全的逆變器，而IGBT則是逆變器的主要元件。此外，IGBT在電力電子領域（如電機控制）發(fā)揮著至關重要的作用，是不可或缺的組成部分。
IGBT還廣泛應用于高電壓、大功率負載切換。在這種情況下，必須使用具有良好絕緣性能的隔離電源轉(zhuǎn)換器，以確保綠色能源要求，能夠安全可靠地為我們服務。
圖1所示的為光伏電站為IGBT應用的一個典型例子，由圖可見，其中兩處使用了IGBT。
太陽能光伏電板的電壓會隨光照強度和天氣變化而產(chǎn)生波動，因此必須設置一個穩(wěn)壓裝置。而想要設計一個輸出電壓范圍在DC800V~1000V的穩(wěn)壓電路，就必須使用IGBT升壓轉(zhuǎn)換器。通常情況下，IGBT要與最大功率點（MPP）跟蹤技術搭配應用。無論是否存在陽光照射，MPP都可以確保各光伏模塊在最佳工作效率下運行。IGBT則在可變的頻繁開關下運行，該頻率可能會高達300kHz，這會讓相關元件產(chǎn)生巨大的電壓應力。
圖1：必須通過加強型絕緣DC/DC轉(zhuǎn)換器來控制升壓轉(zhuǎn)換器和交流逆變器，從而確保高壓側(cè)與低壓控制側(cè)具有良好的隔離性能。
顯而易見，經(jīng)升壓后的電源無法直接供應至電網(wǎng)，因此需要第二級的IGBT模塊來進行二次逆變。脈寬調(diào)制信號是通過兩個相位相反的信號來控制IGBT的橋接電路。為獲得一個盡可能接近50Hz頻率的正弦波，必須將控制頻率設定在10～20kHz范圍內(nèi)。后級LC濾波器可使電壓穩(wěn)定輸出，讓輸出電壓順利實現(xiàn)并網(wǎng)。
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IGBT控制——注意事項
我們已經(jīng)了解IGBT的工作方式，但還不清楚安裝DC/DC轉(zhuǎn)換器的目的是什么，只有對IGBT控制進行更進一步的研究才能搞清這一點。在IGBT驅(qū)動器的控制下，IGBT被集成到功率電路中，且各處的電壓值都不同（見圖1），因此必須將其與控制電路隔離開來。可以使用光電耦合器實現(xiàn)控制信號隔離，同時使用兩個加強型絕緣DC/DC轉(zhuǎn)換器使供電線路具有隔離性能。
為什么要使用兩個轉(zhuǎn)換器呢？這是由IGBT的屬性決定的，IGBT本質(zhì)上是金屬氧化物半導體電晶體管（MOSFET）和雙極晶體管的一種混合產(chǎn)物，是針對最低損耗下的高功率開關而設計的。此開關接通是通過盡快對柵極提供電壓來進行的，但這一過程會產(chǎn)生極高的電流峰值（di/dt），從而對元件產(chǎn)生巨大的電壓應力。在di/dt值處于可容許范圍內(nèi)時，最大開關速度由柵極電阻RG決定。
以上是接通時的情況。在斷開時的情況則正好相反，必須使用負電壓控制盡快將柵極電壓VG 釋放。就對稱供電而言（需要使用+15V的電壓確保IGBT處于接通狀態(tài)），我們需要的是看似合理的-15V電壓。但柵極電壓的快速耗盡卻會產(chǎn)生極高的電壓峰值（dv/dt），這往往又會降低元件的壽命。在這種情況下，可通過降低斷開時的控制電壓來解決這一問題。經(jīng)驗表明，VG-的最佳值應為-9V，此時即可將柵電量盡快耗盡，又可使dv/dt值保持在可接受范圍內(nèi)。
該文本框概述了上述數(shù)值間的關系
圖2顯示了IGBT驅(qū)動器電路的工作原理。通過接通和斷開時的電流和電壓曲線，我們可看出IGBT控制所面臨的問題。在這種情況下，工程師通常有兩種選擇：（1）選擇具有一個轉(zhuǎn)換器和±15V電壓的緊湊型設計方案，當斷開時其所有相關缺點均會顯現(xiàn)；（2）選擇含兩個轉(zhuǎn)換器（電壓分別為15V和-9V）的更為有效的解決方案，但該方案成本更高一些。
圖2：左圖：IGBT驅(qū)動器的總體設計；右圖：接通/斷開時的電流和電壓曲線；曲線圖清楚的顯示了開關電壓較低時對dv/dt負載產(chǎn)生的積極影響。
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選擇正確DC/DC轉(zhuǎn)換器的標準
為解決上述問題，工程師們提出了使用IGBT轉(zhuǎn)換器的想法。IGBT轉(zhuǎn)換器的不對稱輸入電壓通常為+15V/-9V，這樣有可能為IGBT驅(qū)動器提供最優(yōu)電壓，確保運行中無需承擔過多負荷。
另一重要標準就是絕緣，絕緣等級和類型在絕緣電壓上體現(xiàn)。
絕緣電壓計算乍一看十分容易。根據(jù)眾所周知的經(jīng)驗法則，絕緣電壓應為中間電路電壓的兩倍，但事實上卻并非如此。由于切換速度較高且相關的dv/dt切換沿較陡，計算得出的絕緣電壓值和所需的值其實相差甚遠。此外，由于此類峰值僅存在幾微秒，我們無法立刻檢測出其對轉(zhuǎn)換器絕緣能力產(chǎn)生的影響。但俗語有云：只要功夫深，鐵杵磨成針，由于轉(zhuǎn)換器長時間受到此類峰值的沖擊，元件的壽命大大降低這一點也就不足為奇了。
從本質(zhì)上說，絕緣類型決定了絕緣等級，而對絕緣等級來說，氣隙和爬電距離是兩個重要指標。通常情況下，IGBT驅(qū)動器的絕緣為工頻50Hz的電壓，但高達幾百KHz的頻率在IGBT應用中也并不罕見。如此高的頻率以完全不可預見的方式影響著變壓器材料的電磁性能。此外，陡峭的開關切線沿往往會觸發(fā)較高的反峰電壓。在這種情況下，僅在變壓器電線上刷一層漆形成標準絕緣層的做法是遠遠不夠的。為提高安全性，需要使用包含漆包線絕緣和其他絕緣層（或稱為“基礎絕緣層”）的雙重絕緣。
圖3:非對稱輸出的DC/DC轉(zhuǎn)換器供電圖
總而言之，絕緣電壓應遠高于預期的峰值電壓。首選解決方案就是使用基礎絕緣層或加強絕緣層，這樣一來，IGBT轉(zhuǎn)換器會變得更為可靠。
另一個可能遇到的障礙是，各廠商數(shù)據(jù)手冊中給出的絕緣規(guī)格描述有時會相互不兼容。為解決這一難題，RECOM開發(fā)出了一款簡化工具——隔離計算器（見圖4）。它可以幫助大家比較各種規(guī)格并最終找到滿足需求的產(chǎn)品。
圖4:RECOM開發(fā)的簡化工具隔離計算器
適用于大多數(shù)IGBT應用
為滿足行業(yè)需求，RECOM開發(fā)了七款應用于IGBT驅(qū)動的電源模塊，并于今年在紐倫堡PCIM會展上正式發(fā)布。此次推出的電源模塊均采用+15V和-9V的不對稱輸出，適用于IGBT驅(qū)動器控制，輸入電壓則包括5V、12V和24V。該系列產(chǎn)品旨在于各電壓等級條件下提供最佳的絕緣性能，支持3kV RH-xx1509D）～6.4kV（RxxP1509D）的絕緣電壓范圍，幾乎可以為所有應用提供相匹配的絕緣電壓。RECOM工程師同樣對IGBT轉(zhuǎn)換器的間距問題給予了密切關注。新型號產(chǎn)品有緊湊型SIP7封裝（RP-xx1509D）、通用型DIP14封裝（RKZ-xx1509D）和DIP24封裝。這些1W和2W模塊已通過了EN60950-1認證，符合RoHS2和REACH等標準。所有模塊均通過了RECOM嚴格的質(zhì)量保證測試，質(zhì)保期為三年。
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