可实现IGBT平滑切换的不对称输出电源模块

为了利用风能和太阳能等可再生能源，我们需要使用安全可靠、功能齐全的逆变器，而IGBT则是逆变器的主要元件。此外，IGBT在电力电子领域（如电机控制）发挥着至关重要的作用，是不可或缺的组成部分。

IGBT还广泛应用于高电压、大功率负载切换。在这种情况下，必须使用具有良好绝缘性能的隔离电源转换器，以确保绿色能源要求，能够安全可靠地为我们服务。

图1所示的为光伏电站为IGBT应用的一个典型例子，由图可见，其中两处使用了IGBT。

太阳能光伏电板的电压会随光照强度和天气变化而产生波动，因此必须设置一个稳压装置。而想要设计一个输出电压范围在DC800V~1000V的稳压电路，就必须使用IGBT升压转换器。通常情况下，IGBT要与最大功率点（MPP）跟踪技术搭配应用。无论是否存在阳光照射，MPP都可以确保各光伏模块在最佳工作效率下运行。IGBT则在可变的频繁开关下运行，该频率可能会高达300kHz，这会让相关元件产生巨大的电压应力。


图1：必须通过加强型绝缘DC/DC转换器来控制升压转换器和交流逆变器，从而确保高压侧与低压控制侧具有良好的隔离性能。

显而易见，经升压后的电源无法直接供应至电网，因此需要第二级的IGBT模块来进行二次逆变。脉宽调制信号是通过两个相位相反的信号来控制IGBT的桥接电路。为获得一个尽可能接近50Hz频率的正弦波，必须将控制频率设定在10～20kHz范围内。后级LC滤波器可使电压稳定输出，让输出电压顺利实现并网。

IGBT控制——注意事项

我们已经了解IGBT的工作方式，但还不清楚安装DC/DC转换器的目的是什么，只有对IGBT控制进行更进一步的研究才能搞清这一点。在IGBT驱动器的控制下，IGBT被集成到功率电路中，且各处的电压值都不同（见图1），因此必须将其与控制电路隔离开来。可以使用光电耦合器实现控制信号隔离，同时使用两个加强型绝缘DC/DC转换器使供电线路具有隔离性能。

为什么要使用两个转换器呢？这是由IGBT的属性决定的，IGBT本质上是金属氧化物半导体电晶体管（MOSFET）和双极晶体管的一种混合产物，是针对最低损耗下的高功率开关而设计的。此开关接通是通过尽快对栅极提供电压来进行的，但这一过程会产生极高的电流峰值（di/dt），从而对元件产生巨大的电压应力。在di/dt值处于可容许范围内时，最大开关速度由栅极电阻RG决定。

以上是接通时的情况。在断开时的情况则正好相反，必须使用负电压控制尽快将栅极电压VG 释放。就对称供电而言（需要使用+15V的电压确保IGBT处于接通状态），我们需要的是看似合理的-15V电压。但栅极电压的快速耗尽却会产生极高的电压峰值（dv/dt），这往往又会降低元件的寿命。在这种情况下，可通过降低断开时的控制电压来解决这一问题。经验表明，VG-的最佳值应为-9V，此时即可将栅电量尽快耗尽，又可使dv/dt值保持在可接受范围内。


该文本框概述了上述数值间的关系

图2显示了IGBT驱动器电路的工作原理。通过接通和断开时的电流和电压曲线，我们可看出IGBT控制所面临的问题。在这种情况下，工程师通常有两种选择：（1）选择具有一个转换器和±15V电压的紧凑型设计方案，当断开时其所有相关缺点均会显现；（2）选择含两个转换器（电压分别为15V和-9V）的更为有效的解决方案，但该方案成本更高一些。


图2：左图：IGBT驱动器的总体设计；右图：接通/断开时的电流和电压曲线；曲线图清楚的显示了开关电压较低时对dv/dt负载产生的积极影响。

选择正确DC/DC转换器的标准

为解决上述问题，工程师们提出了使用IGBT转换器的想法。IGBT转换器的不对称输入电压通常为+15V/-9V，这样有可能为IGBT驱动器提供最优电压，确保运行中无需承担过多负荷。

另一重要标准就是绝缘，绝缘等级和类型在绝缘电压上体现。

绝缘电压计算乍一看十分容易。根据众所周知的经验法则，绝缘电压应为中间电路电压的两倍，但事实上却并非如此。由于切换速度较高且相关的dv/dt切换沿较陡，计算得出的绝缘电压值和所需的值其实相差甚远。此外，由于此类峰值仅存在几微秒，我们无法立刻检测出其对转换器绝缘能力产生的影响。但俗语有云：只要功夫深，铁杵磨成针，由于转换器长时间受到此类峰值的冲击，元件的寿命大大降低这一点也就不足为奇了。

从本质上说，绝缘类型决定了绝缘等级，而对绝缘等级来说，气隙和爬电距离是两个重要指标。通常情况下，IGBT驱动器的绝缘为工频50Hz的电压，但高达几百KHz的频率在IGBT应用中也并不罕见。如此高的频率以完全不可预见的方式影响着变压器材料的电磁性能。此外，陡峭的开关切线沿往往会触发较高的反峰电压。在这种情况下，仅在变压器电线上刷一层漆形成标准绝缘层的做法是远远不够的。为提高安全性，需要使用包含漆包线绝缘和其他绝缘层（或称为“基础绝缘层”）的双重绝缘。


图3:非对称输出的DC/DC转换器供电图

总而言之，绝缘电压应远高于预期的峰值电压。首选解决方案就是使用基础绝缘层或加强绝缘层，这样一来，IGBT转换器会变得更为可靠。

另一个可能遇到的障碍是，各厂商数据手册中给出的绝缘规格描述有时会相互不兼容。为解决这一难题，RECOM开发出了一款简化工具——隔离计算器（见图4）。它可以帮助大家比较各种规格并最终找到满足需求的产品。


图4:RECOM开发的简化工具隔离计算器