IGBT，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，它是在需要快速切換的應(yīng)用中必不可少的電子器件。因為它們通常在高壓下工作，驅(qū)動器電子設(shè)備和電源之間隔離的質(zhì)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(zhuǎn)換器在IGBT系統(tǒng)中的作用。

 

 

 

當(dāng)前可再生能源高速發(fā)展，加快了“綠色電子”的開發(fā)。如今，電力來自可再生能源，主要來自風(fēng)力渦輪機和太陽能發(fā)電廠。光伏電池產(chǎn)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(fēng)力渦輪機產(chǎn)生交流電，但頻率取決于風(fēng)速。因此，這兩種形式的電力都不適合直接輸送到電網(wǎng)，都需要轉(zhuǎn)換。

 

這就需要通過高效、大功率的逆變器裝置來實現(xiàn)的。第一步，生成一個等幅的直流電壓。第二步，再轉(zhuǎn)換成高頻電流，并將加入脈寬調(diào)制。IGBT（絕緣的柵雙極型晶體管）作為快速動作的電源開關(guān)，它的驅(qū)動器是通過小型DC/ DC轉(zhuǎn)換器來供電的，具有良好的隔離。隔離的質(zhì)量決定了整個系統(tǒng)的可靠性。

 

 

 

 

圖1：帶助推器和逆變器（頂部）的太陽能發(fā)電廠功能圖。每個IGBT驅(qū)動器都有一個良好的帶隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器供電。設(shè)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）。

 

 

類似于MOSFET，IGBT是小電流驅(qū)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(fā)射極電壓下工作。驅(qū)動功率小而飽和壓降低這使它們成為理想的開關(guān)。

 

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(dá)到令人滿意的效率，開關(guān)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(chǎn)生的，間隙角度太低，所以不能直接驅(qū)動IGBT。因此有必要使用IGBT驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。

 

乍一看，對DC/DC轉(zhuǎn)換器隔離電壓的要求似乎不是特別嚴(yán)格的。因為AC電壓的峰值沒有超過650V，根據(jù)相對應(yīng)的通用公式，我們可以假設(shè)1秒鐘2kVDC的隔離電壓就足夠了。然而，實際上事情要復(fù)雜得多。

 

 

圖2：變壓器和其周邊的元件分布的區(qū)域確定隔離的質(zhì)量。RECOM的REC3.5提供高達(dá)10kVDC/sec的隔離

 

一個DC/DC轉(zhuǎn)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(guān)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(xiàn)出完全不同的工作狀態(tài)。由于開關(guān)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(zhuǎn)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(xiàn)在導(dǎo)電線路和變壓器之間的電路中。然而，采用適當(dāng)?shù)臏y量技術(shù)測量出的結(jié)果并不是很可靠。這是由于事實上一連上示波器探頭，系統(tǒng)的運作狀態(tài)就變了。一個測得的電壓峰值，例如是2kV，已經(jīng)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(xiàn)成的公式進(jìn)行計算，所以不能準(zhǔn)確地得出電磁材質(zhì)在高頻率下的工作狀態(tài)。因此有必要根據(jù)經(jīng)驗值預(yù)留一個充足的安全緩沖區(qū)。從以往的經(jīng)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(zhuǎn)換器的隔離質(zhì)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(yī)療電子領(lǐng)域的加強型隔離質(zhì)量。必須注意，上述影響一般不會立即導(dǎo)致缺陷或故障出現(xiàn)。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(dǎo)致DC/ DC轉(zhuǎn)換器的隔離屏障最終出現(xiàn)故障。這會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。

 

 

在某些規(guī)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(xù)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(zhǔn)確地確定這個關(guān)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(guī)格的轉(zhuǎn)換器。只要發(fā)送郵件到info@recom-electronic.com 即可免費索取ISO計算器。另外，在網(wǎng)站www.recom-electronic.com上也可以找到這個在線工具。

 

 

圖3：RECOM的數(shù)據(jù)光盤收錄了所有隔離規(guī)格的相關(guān)參考值

 

除了測試電壓高低之外，隔離的質(zhì)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(xiàn)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(huán)境溫度、濕度、振動就更容易變?nèi)?。在某些階段，即使規(guī)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(chǔ)”等級，一個24VDC輸入電壓的轉(zhuǎn)換器，它的電氣間隙和爬電距離分別是0.5mm和1.0mm。要達(dá)到“補充”等級，這些值要翻倍達(dá)到1.0mm和2.0mm。要達(dá)到加強隔離的最高等級，上述的轉(zhuǎn)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(chǔ)”等級的四倍了。

 

 

圖4：UL規(guī)格中加強隔離的醫(yī)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(yī)療電子設(shè)備是非常必要的。在電力電子里沒有相應(yīng)的規(guī)格。然而我們可以假設(shè)在設(shè)備有效壽命的使用過程中，帶有加強型隔離的轉(zhuǎn)換器會比帶基礎(chǔ)隔離或只有功能隔離的轉(zhuǎn)換器受到更好的保護(hù)，防止應(yīng)力發(fā)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(yīng)用中選擇使用加強型隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器。RECOM有自己的新的變壓器概念，它已經(jīng)能做出更小巧的帶加強型隔離的轉(zhuǎn)換器，而且還更低價。這意味著安全不再是價錢的問題了。

 

除了眾多隔離功能的轉(zhuǎn)換器之外，RECOM提供1W和2W高隔離轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品——RK（4000VDC/1s），RP（5200VDC/1s）和RV（6000VDC/1s）。這些轉(zhuǎn)換器已經(jīng)廣泛使用在IGBT應(yīng)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(zhuǎn)換器，小巧的SIP7封裝。RV系列中的2W版本，現(xiàn)在也提供DIP24封裝，可方便安裝到現(xiàn)有的設(shè)計方案。因為效率接近88%，工作溫度可以高達(dá)+85°C，所以無須主動冷卻或降額使用。

 

 

圖5：盡管設(shè)計復(fù)雜，1W和2W系列也提供高達(dá)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(chǎn)品高出大概20%，它有高達(dá)86%的效率。這也使得當(dāng)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(dá)+105°C。

 

盡管隔離設(shè)計復(fù)雜很多，上述產(chǎn)品也只是比傳統(tǒng)技術(shù)轉(zhuǎn)換器的價格稍微高一點。所有產(chǎn)品都按照RECOM轉(zhuǎn)換器的慣例享有三年保修。在開發(fā)階段，所有的產(chǎn)品都在RECOM的環(huán)境實驗室經(jīng)過大量的HALT試驗，以確保其使用壽命。