IGBT，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應管)組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式功率半導體器件，它是在需要快速切換的應用中必不可少的電子器件。因為它們通常在高壓下工作，驅動(dòng)器電子設備和電源之間隔離的質(zhì)量決定了整個(gè)電路的可靠性。本文介紹了加強型隔離DC/DC轉換器在IGBT系統中的作用。

 

 

 

當前可再生能源高速發(fā)展，加快了“綠色電子”的開(kāi)發(fā)。如今，電力來(lái)自可再生能源，主要來(lái)自風(fēng)力渦輪機和太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)。光伏電池產(chǎn)生的直流電流，其電流強度是通過(guò)所獲取的陽(yáng)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)，都需要轉換。

 

這就需要通過(guò)高效、大功率的逆變器裝置來(lái)實(shí)現的。第一步，生成一個(gè)等幅的直流電壓。第二步，再轉換成高頻電流，并將加入脈寬調制。IGBT（絕緣的柵雙極型晶體管）作為快速動(dòng)作的電源開(kāi)關(guān)，它的驅動(dòng)器是通過(guò)小型DC/ DC轉換器來(lái)供電的，具有良好的隔離。隔離的質(zhì)量決定了整個(gè)系統的可靠性。

 

 

 

 

圖1：帶助推器和逆變器（頂部）的太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)功能圖。每個(gè)IGBT驅動(dòng)器都有一個(gè)良好的帶隔離的DC/DC轉換器供電。設備通過(guò)一個(gè)高頻PWM信號控制，這個(gè)信號輸出平滑的正弦波（左）。

 

 

類(lèi)似于MOSFET，IGBT是小電流驅動(dòng)的大功率元件，就像雙極晶體管，它們可以在一個(gè)極低的集電極-發(fā)射極電壓下工作。驅動(dòng)功率小而飽和壓降低這使它們成為理想的開(kāi)關(guān)。

 

在簡(jiǎn)單的逆變器里，兩個(gè)相位相反的IGBT由一個(gè)頻率至少是10kHz 的PWM信號控制。要想達到令人滿(mǎn)意的效率，開(kāi)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，所以不能直接驅動(dòng)IGBT。因此有必要使用IGBT驅動(dòng)器使切換速率加速到1000V/µs左右。由于IGBT往往在高電位浮動(dòng)，非隔離控制邏輯必須通過(guò)光電耦合器隔離。此外，驅動(dòng)器的供電電壓一般在+15V到-9V之間，也需要隔離。這可以通過(guò)隔離的DC/DC轉換器來(lái)實(shí)現。

 

乍一看，對DC/DC轉換器隔離電壓的要求似乎不是特別嚴格的。因為AC電壓的峰值沒(méi)有超過(guò)650V，根據相對應的通用公式，我們可以假設1秒鐘2kVDC的隔離電壓就足夠了。然而，實(shí)際上事情要復雜得多。

 

 

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

 

一個(gè)DC/DC轉換器的隔離，以及變壓器周?chē)目諝?、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(kāi)關(guān)的工作頻率明顯高于10kHz，甚至300kHz也并不少見(jiàn)。在這樣的頻率下，電磁元件和材料表現出完全不同的工作狀態(tài)。由于開(kāi)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轉換器的隔離施加著(zhù)額外的壓力，這是由于耦合電容和其他隱藏的電容出現在導電線(xiàn)路和變壓器之間的電路中。然而，采用適當的測量技術(shù)測量出的結果并不是很可靠。這是由于事實(shí)上一連上示波器探頭，系統的運作狀態(tài)就變了。一個(gè)測得的電壓峰值，例如是2kV，已經(jīng)通過(guò)探頭衰減，因此實(shí)際的峰值可能會(huì )高得多。

 

這種峰值沒(méi)有現成的公式進(jìn)行計算，所以不能準確地得出電磁材質(zhì)在高頻率下的工作狀態(tài)。因此有必要根據經(jīng)驗值預留一個(gè)充足的安全緩沖區。從以往的經(jīng)驗來(lái)看，我們知道一個(gè)IGBT電路的使用壽命直接取決于DC/DC轉換器的隔離質(zhì)量。然而，更好的隔離并不是機械地等同于有一個(gè)較高的隔離電壓，而是通常指大家已知的醫療電子領(lǐng)域的加強型隔離質(zhì)量。必須注意，上述影響一般不會(huì )立即導致缺陷或故障出現。類(lèi)似于一個(gè)堤壩，它受到高水壓作用的時(shí)間越長(cháng)，它就會(huì )變的越弱，然后突然破裂。同理，接近極限荷載越頻繁，往往將導致DC/ DC轉換器的隔離屏障最終出現故障。這會(huì )對整個(gè)系統產(chǎn)生災難性的后果。

 

 

在某些規格書(shū)中，隔離電壓的測試時(shí)間有可能是1秒鐘或者1分鐘甚至是一個(gè)連續的長(cháng)時(shí)間。測試加載時(shí)間越長(cháng)，其測試電壓就會(huì )越低。為了使用戶(hù)能夠準確地確定這個(gè)關(guān)鍵值，RECOM提供一個(gè)CD光盤(pán)尺寸大少的免費ISO計算工具。一個(gè)隔離電壓時(shí)間規格的轉換器。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(gè)在線(xiàn)工具。

 

 

圖3：RECOM的數據光盤(pán)收錄了所有隔離規格的相關(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(jiǎn)單的形式，被稱(chēng)為功能隔離，是通過(guò)變壓器來(lái)實(shí)現的，就是將初級繞組和次級繞組，一個(gè)直接繞在另一個(gè)的上面。漆包線(xiàn)的絕緣層可以耐受測試電壓1000VDC/1s。然而，這個(gè)絕緣層會(huì )隨著(zhù)時(shí)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(dòng)就更容易變弱。在某些階段，即使規格書(shū)介紹的與此相反，它也可能會(huì )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(diǎn)之間的直線(xiàn)距離，爬電距離是沿著(zhù)表面的路徑。要符合最低UL“基礎”等級，一個(gè)24VDC輸入電壓的轉換器，它的電氣間隙和爬電距離分別是0.5mm和1.0mm。要達到“補充”等級，這些值要翻倍達到1.0mm和2.0mm。要達到加強隔離的最高等級，上述的轉換器必須要滿(mǎn)足2.0mm和4.0mm的電氣間隙和爬電距離，這已是“基礎”等級的四倍了。

 

 

圖4：UL規格中加強隔離的醫療電子的電氣間隙和爬電間隙，使IGBT電路提高了安全性。

 

加強型隔離對醫療電子設備是非常必要的。在電力電子里沒(méi)有相應的規格。然而我們可以假設在設備有效壽命的使用過(guò)程中，帶有加強型隔離的轉換器會(huì )比帶基礎隔離或只有功能隔離的轉換器受到更好的保護，防止應力發(fā)生。這就是為什么盡管成本會(huì )稍高，可越來(lái)越多制造商還是在IGBT應用中選擇使用加強型隔離DC/DC轉換器。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換器，而且還更低價(jià)。這意味著(zhù)安全不再是價(jià)錢(qián)的問(wèn)題了。

 

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

 

 

圖5：盡管設計復雜，1W和2W系列也提供高達8kV/DC/秒的加強隔離

 

兩個(gè)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(lèi)無(wú)加強型隔離的產(chǎn)品高出大概20%，它有高達86%的效率。這也使得當REC3.5在+85°C的工作溫度下和REC6在+75°C的工作溫度下無(wú)須主動(dòng)冷卻或降額使用。外殼允許的最高溫度可達+105°C。

 

盡管隔離設計復雜很多，上述產(chǎn)品也只是比傳統技術(shù)轉換器的價(jià)格稍微高一點(diǎn)。所有產(chǎn)品都按照RECOM轉換器的慣例享有三年保修。在開(kāi)發(fā)階段，所有的產(chǎn)品都在RECOM的環(huán)境實(shí)驗室經(jīng)過(guò)大量的HALT試驗，以確保其使用壽命。