【導(dǎo)讀】本文介紹了加強(qiáng)型隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器在IGBT系統(tǒng)中的作用，主要通過(guò)電力電子的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)、DC/DC轉(zhuǎn)換器的強(qiáng)度測(cè)試、與同類比較及IGBT應(yīng)用的綜合產(chǎn)品系列方面進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
IGBT，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)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?yàn)樗鼈兺ǔＴ诟邏合鹿ぷ鳎?qū)動(dòng)器電子設(shè)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(qiáng)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(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(jī)和太陽(yáng)能發(fā)電廠。光伏電池產(chǎn)生的直流電流，其電流強(qiáng)度是通過(guò)所獲取的陽(yáng)光強(qiáng)度而確定的。風(fēng)力渦輪機(jī)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(guò)高效、大功率的逆變器裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第一步，生成一個(gè)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(dòng)作的電源開(kāi)關(guān)，它的驅(qū)動(dòng)器是通過(guò)小型DC/ DC轉(zhuǎn)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(tǒng)的可靠性。
圖1：帶助推器和逆變器（頂部）的太陽(yáng)能發(fā)電廠功能圖。每個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)器都有一個(gè)良好的帶隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器供電。設(shè)備通過(guò)一個(gè)高頻PWM信號(hào)控制，這個(gè)信號(hào)輸出平滑的正弦波（左）。
電力電子的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)
類似于MOSFET，IGBT是小電流驅(qū)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(qū)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(hào)控制。要想達(dá)到令人滿意的效率，開(kāi)關(guān)的間隙必須非常陡峭。然而由于控制信號(hào)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(dòng)IGBT。因此有必要使用IGBT驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[page]DC/DC轉(zhuǎn)換器的強(qiáng)度測(cè)試
乍一看，對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器隔離電壓的要求似乎不是特別嚴(yán)格的。因?yàn)锳C電壓的峰值沒(méi)有超過(guò)650V，根據(jù)相對(duì)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(shí)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(gè)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(cè)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(xiàn)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(duì)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(cè)量技術(shù)測(cè)量出的結(jié)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(tǒng)的運(yùn)作狀態(tài)就變了。一個(gè)測(cè)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(xiàn)成的公式進(jìn)行計(jì)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(yàn)值預(yù)留一個(gè)充足的安全緩沖區(qū)。從以往的經(jīng)驗(yàn)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(zhuǎn)換器的隔離質(zhì)量。然而，更好的隔離并不是機(jī)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(yī)療電子領(lǐng)域的加強(qiáng)型隔離質(zhì)量。必須注意，上述影響一般不會(huì)立即導(dǎo)致缺陷或故障出現(xiàn)。類似于一個(gè)堤壩，它受到高水壓作用的時(shí)間越長(zhǎng)，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(dǎo)致DC/ DC轉(zhuǎn)換器的隔離屏障最終出現(xiàn)故障。這會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。
同類比較
在某些規(guī)格書中，隔離電壓的測(cè)試時(shí)間有可能是1秒鐘或者1分鐘甚至是一個(gè)連續(xù)的長(zhǎng)時(shí)間。測(cè)試加載時(shí)間越長(zhǎng)，其測(cè)試電壓就會(huì)越低。為了使用戶能夠準(zhǔn)確地確定這個(gè)關(guān)鍵值，RECOM提供一個(gè)CD光盤尺寸大少的免費(fèi)ISO計(jì)算工具。一個(gè)隔離電壓時(shí)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(fèi)索取ISO計(jì)算器。另外，在網(wǎng)站www.recom-electronic.com上也可以找到這個(gè)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(cè)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，被稱為功能隔離，是通過(guò)變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，就是將初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，一個(gè)直接繞在另一個(gè)的上面。漆包線的絕緣層可以耐受測(cè)試電壓1000VDC/1s。然而，這個(gè)絕緣層會(huì)隨著時(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?nèi)酢Ｔ谀承╇A段，即使規(guī)格書介紹的與此相反，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(jí)，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(jí)，一個(gè)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(bǔ)充”等級(jí)，這些值要翻倍達(dá)到1.0mm和2.0mm。要達(dá)到加強(qiáng)隔離的最高等級(jí)，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(jí)的四倍了。
圖4：UL規(guī)格中加強(qiáng)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(qiáng)型隔離對(duì)醫(yī)療電子設(shè)備是非常必要的。在電力電子里沒(méi)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(guò)程中，帶有加強(qiáng)型隔離的轉(zhuǎn)換器會(huì)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(huì)稍高，可越來(lái)越多制造商還是在IGBT應(yīng)用中選擇使用加強(qiáng)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(qiáng)型隔離的轉(zhuǎn)換器，而且還更低價(jià)。這意味著安全不再是價(jià)錢的問(wèn)題了。
[page]IGBT應(yīng)用的綜合產(chǎn)品系列
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(qiáng)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(jì)方案。因?yàn)樾式咏?8%，工作溫度可以高達(dá)+85°C，所以無(wú)須主動(dòng)冷卻或降額使用。
圖5：盡管設(shè)計(jì)復(fù)雜，1W和2W系列也提供高達(dá)8kV/DC/秒的加強(qiáng)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無(wú)加強(qiáng)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(wú)須主動(dòng)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(jì)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(jià)格稍微高一點(diǎn)。所有產(chǎn)品都按照RECOM轉(zhuǎn)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(yàn)室經(jīng)過(guò)大量的HALT試驗(yàn)，以確保其使用壽命。
