基于双变换UPS的全桥IGBT技术研究

变功率模块也始终按双极型三极管的半桥模块设计，这样一来引进比模块本身更大的寄生电感。寄生电感会在IGBT关断的过程中形成很大的尖峰电压。尤其当今IGBT的开关速度已很高了。

那末如何来减小寄生电感是一个IGBT应用关键技术，最有效的方法是把并行母线改为叠层母线，减小回路包围的面积。对于并行母线，其母线宽度与母线距离之比a/b>1，其寄生电感Lσ>300nH，而叠层母线很容易做到a/b<0.01,这样寄生电感Lσ仅为20~30nH，考虑其它因素，寄生电感Lσ实际可以控制在100nH以下。

封装的改进

为了使这一技术实用化，eupec公司在1994年制定了一种IGBT国际工业标准化的封装，即Econo，它是 第一个IGBT的封装。Econo有两种封装尺寸，即Econo2和Econo3，见（图3）。现有的主要产品是用于逆变器三相全桥模块。最近eupec推出单相全桥模块 Econo FourPACK ,其600V系列是专为UPS设计的，包括以下几种常用型号，见表一：

表1，Econo FourPACK 600V IGBT参数

图3， Econo 封装的IGBT模块

Econo FourPACK系列模块由四个IGBT和四个反向续流二极管构成，它还包括温度检测 NTC，可用于超载，过温保护；对称的芯片分布，合理的管脚设计使得模块内部和功率组件设计寄生电感最小；引出脚按能量流向分布，母线设计，控制线设计更容易。所有引出脚采用可焊接针，这样便于设计双面覆铜板叠层直流母线，它有很小的寄生电感，如果与EconoBRIDGE 整流模块一起构成系统设计更方便，更能体现优良的性能。

Econo 封装能符合UPS的安全标准，IEC62040-1-1，和IEC62040-1-2。

芯片技术及其比较

EconoFourPACK 600V系列采用第二代非穿透型NPT型IGBT芯片，和EmCon反向续流二极管。它还包括温度检测 NTC，可用于超载，过温保护。

英飞凌第二代非穿透型NPT型IGBT芯片，大大提高了IGBT的强度，短路承受力强，开关更可靠，具有非常有效的短路电流限制特性，在VGE =15V时，不论短路内阻多么小，芯片会把短路电流限制在5~8倍的额定电流，如果在10祍内关断IGBT，IGBT不会因为过流损坏。短路电流限制特性使得IGBT工作非常可靠，短路保护电路很容易设计，且在极端情况下也不会剧烈爆炸，损坏PCB母线及相邻器件。

EmCon二极管为高频软恢复二极管，反向恢复电荷少，最大反向恢复电流小，见（图4）。这使得电磁兼容EMC设计较容易，实现成本低。

图4，EmCon 快恢复二极管特性

新一代IGBT在封装技术、芯片技术上都有明显优势。以200A 600V IGBT模块为例，见表2。封装底面尺寸仅为半桥的86%，在实际安装情况下占散热器面积可减小为50%，安装也较为简单，所需螺丝从10只减少到4只，安装误差容易控制，这都意味着降低成本。其寄生电感也只有50%。

表2，IGBT的主要参数

由于采用Al2O3的基板和铜散热底板，管座对散热器的热阻大大减小，仅为40%，但由于四个IGBT封装在一起，总功率几乎翻倍，所以实际热阻为80%。

当设计大功率UPS系统时，NPT-IGBT具有的正温度系数的饱和电压以及温度系数很小的拖尾电流使得模块很容易并联。（PT型IGBT ，如一个200A，600V的常用型号把Vce sat 在1.85V~2.80V之间分了5档，以便于并联时选择。

芯片及解决方案

Infineon/eupec 已经推出了沟道栅的第三代600V IGBT，它采用场终止技术，优化了性能，饱和压降低达，工作温度高达150℃（允许最高结温175℃）。Eupec会将这种最新技术用在H桥模块上，以及推出更小规格的产品。

一个英飞凌的UPS系统解决方案：

全桥逆变器: eupec Econo FourPACK F4-200R06KL4

整流器和隔离二极管: eupec EcnoBRIDGETM DDB6U84N16R

IGBT Driver: eupec EiceDRIVERTM 1ED020I12-S

EiceDRIVER是个基于无铁芯变压器CLT技术的2A IGBT 驱动芯片，它安全隔离性能好，延迟时间短，抗dv/dt 能力强，不再需要使用光电耦合器。

成本上的考虑

Econo FourPACK 是新产品，正处于推广发展阶段，而半桥模块价格空间很小，所以这种全桥模块更有价格优势。它损耗低，热阻小，所以系统成本低。

焊接式引出脚可以采用波峰焊，自动化程度高，加工成本低，质量好。

采用Econo FourPACK，UPS的功率单元比采用半桥模块如BSM可降低20~30%，实际上由于系统效率提高，总体成本更低。

结论

Econo FourPACK 600V IGBT 系列是基于带输出变压器的双变换UPS的优化产品。它可以在不改变太多设计的前提下，提高UPS整体性能和可靠性，明显降低成本。替代半桥电路时，只需用PCB叠层结构重新设计直流母线，简单地改变一下IGBT安装方法。