基于双变换UPS的全桥IGBT技术研究

模块是一种专门为紧凑型全桥输出的不间断电源开发的低寄生电感模块。与传统的IGBT半桥模块设计习惯采用两条直流母线排的形式不同，Econo 封装使用焊接式引脚方便使用PCB板叠层母线。这种封装形式的模块已在马达驱动中大量使用。通过在UPS领域引入这一设计概念，以期望实现设计者的长期愿望——低成本紧凑型的高可靠性产品。

UPS设计的趋势

近二十年来，不间断电源随着信息设备的广泛使用而迅速普及，大量使用于信息设备和数据的保护。从不间断电源自身发展来看，很大程度依赖于电力电子技术发展，更依赖于电力电子器件的发展，如磁性材料，IGBT，Power MOSFET。在中大功率产品中IGBT取代GTO使得高频，高效率的SPWM逆变器进入商业应用，也使得有源PFC整流成为可能。在小功率方面，IGBT和POWER MOSFET，取代了BJT，使得效率大幅提高，体积重量大大降低，成本也有革命性的下降。

在众多的UPS电路拓朴结构中，带输出变压器的双变换电路结构具有很强的生命力，它诞生于双极型三极管年代，十多年来整机电路原理没有什么突破，只是在控制电路和用户界面做了改进，逆变器顺着潮流采用了IGBT。可以说是IGBT给予这一电路形式的UPS持续的生命力。

但是相对于近几年发展起来的高频链双变换UPS来说，其缺点也逐渐显露出来了，体积质量大，成本高，但是依赖其成熟的技术，几乎工业化的标准模块式结构和很高的可靠性，使它在市场拥有的份额并没有减小，而且产量越来越大，迫使各大UPS厂商寻找新的技术，以提高效率，降低成本。尤其效率的提高，能有效地减小散热器尺寸，减少后备电池容量，减小充电器功率，明显减小整机体积重量。如果10KVA UPS的8小时机型，提高2%的整机效率，可以减少使用相当12V 6.5AH电池20多节！

现有设计和不足

（图1）所示，是一个典型的双变换UPS，输入交流电经过由D1~D4构成的全桥整流电路，整流得到220V~330V的直流母线电压，电池电压范围为160V~220V，通过隔离二极管D5送给直流母线，供逆变器，所以逆变器的输入电压范围为160~330V。为了输出220V的稳定交流电压，必然需要升压隔离式逆变变压器T1并采用SPWM调制技术（D6并非必须，仅为商品整流桥的一部分）。

由于使用IGBT，逆变器一定会采用SPWM技术，且尽量提高调制频率来减小输出谐波分量，但是由于考虑IGBT的开关损耗，合理的调制频率在8~10kHz。如果直接采用全桥式单极性调制方式，逆变变压器有8~10kHz的谐波分量，会有明显的可闻运行噪声，如果进一步提高调制频率到20kHz可消除可闻运行噪声，在目前技术条件下，无论选用何种芯片技术的IGBT，都会明显增加开关损耗，整机效率降低，这是不可取的。

现有的倍频式PWM调制技术就能很好的解决这一问题，只要采用两个反向的三角波，分别调制Q1和Q4，Q2和Q3，就能使输出的调制频率翻倍。这样一来就能保证IGBT 工作在最理想的状态，同时满足整机设计要求。

为了简化讨论，我们讨论一个半桥臂的工作情况，参考图一。我们分析当逆变器Q1关闭时的电压电流波形，见（图2）。由于负载电感的电流不能突变，继续流过Q2，下部IGBT的中续流二极管。其电流变化速率di/dt在寄生电感上会产生一个压降ΔV=-Lσ×di/dt，它叠加在直流母线上，可以看作在关断Q1的电压尖峰，这个尖峰电压会损坏Q1。

IGBT Q1的关断波形

在常见的采用半桥IGBT模块并用并行直流母线连接的ＵＰＳ设计，为了保护IGBT，使其工作在安全工作区RBSOA内，一般需要采用复杂的吸峰电路。成本高，且要消耗不少能量，有一典型的用于10kVA UPS逆变回路吸峰电路，需要80×80风扇冷却，这是UPS逆变电路亟待改进的地方。

产生ΔV原因可以从下式可以看出：ΔV=-Lσ×di/dt，其与IGBT电流下降速率和回路的电感成正比。要减小尖峰电压，可以减小电流下降速率，就是通常说的关断比较软，但是会增加损耗；另一方法是减小电感，这个电感就是寄生电感。

从原理上说寄生电感与回路包围的面积有关，在设计中，应该选用适当的低电感器件，而且器件布局尽量紧凑。

那么如何在UPS设计中减小寄生电感，废除耗能的吸峰电路，降低成本，这是UPS设计者关心的问题。

目前UPS逆变器的功率管采用的是IGBT半桥功率模块，如eupec的BSM200GB60DLC。这些IGBT都采用了双极型三极管模块的封装。其体积大，成本高，自身的寄生电感也大。

在IGBT发明时，在第一代IGBT开关速度不太快的前提下，厂商采用双极型三极管模块的封装国际工业标准，可以使得用户可以不改变整机结构的情况下，方便取代双极型三极管模块，其不失为一个很好的选择。

结果是UPS厂商的逆