【導(dǎo)讀】IGBT在電力電子領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是不可或缺的組成部分。還廣泛應(yīng)用于高電壓、大功率負(fù)載切換。在這種情況下，必須使用具有良好絕緣性能的隔離電源轉(zhuǎn)換器，以確保綠色能源要求，能夠安全可靠地為我們服務(wù)。那么如何實(shí)現(xiàn)IGBT平滑切換的不對(duì)稱(chēng)輸出呢？本文將為大家講解。
為了利用風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源，我們需要使用安全可靠、功能齊全的逆變器，而IGBT則是逆變器的主要元件。此外，IGBT在電力電子領(lǐng)域（如電機(jī)控制）發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是不可或缺的組成部分。
IGBT還廣泛應(yīng)用于高電壓、大功率負(fù)載切換。在這種情況下，必須使用具有良好絕緣性能的隔離電源轉(zhuǎn)換器，以確保綠色能源要求，能夠安全可靠地為我們服務(wù)。
圖1所示的為光伏電站為IGBT應(yīng)用的一個(gè)典型例子，由圖可見(jiàn)，其中兩處使用了IGBT。
太陽(yáng)能光伏電板的電壓會(huì)隨光照強(qiáng)度和天氣變化而產(chǎn)生波動(dòng)，因此必須設(shè)置一個(gè)穩(wěn)壓裝置。而想要設(shè)計(jì)一個(gè)輸出電壓范圍在DC800V~1000V的穩(wěn)壓電路，就必須使用IGBT升壓轉(zhuǎn)換器。通常情況下，IGBT要與最大功率點(diǎn)（MPP）跟蹤技術(shù)搭配應(yīng)用。無(wú)論是否存在陽(yáng)光照射，MPP都可以確保各光伏模塊在最佳工作效率下運(yùn)行。IGBT則在可變的頻繁開(kāi)關(guān)下運(yùn)行，該頻率可能會(huì)高達(dá)300kHz，這會(huì)讓相關(guān)元件產(chǎn)生巨大的電壓應(yīng)力。
圖1：必須通過(guò)加強(qiáng)型絕緣DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)控制升壓轉(zhuǎn)換器和交流逆變器，從而確保高壓側(cè)與低壓控制側(cè)具有良好的隔離性能。
顯而易見(jiàn)，經(jīng)升壓后的電源無(wú)法直接供應(yīng)至電網(wǎng)，因此需要第二級(jí)的IGBT模塊來(lái)進(jìn)行二次逆變。脈寬調(diào)制信號(hào)是通過(guò)兩個(gè)相位相反的信號(hào)來(lái)控制IGBT的橋接電路。為獲得一個(gè)盡可能接近50Hz頻率的正弦波，必須將控制頻率設(shè)定在10～20kHz范圍內(nèi)。后級(jí)LC濾波器可使電壓穩(wěn)定輸出，讓輸出電壓順利實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。
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IGBT控制——注意事項(xiàng)
我們已經(jīng)了解IGBT的工作方式，但還不清楚安裝DC/DC轉(zhuǎn)換器的目的是什么，只有對(duì)IGBT控制進(jìn)行更進(jìn)一步的研究才能搞清這一點(diǎn)。在IGBT驅(qū)動(dòng)器的控制下，IGBT被集成到功率電路中，且各處的電壓值都不同（見(jiàn)圖1），因此必須將其與控制電路隔離開(kāi)來(lái)?？梢允褂霉怆婑詈掀鲗?shí)現(xiàn)控制信號(hào)隔離，同時(shí)使用兩個(gè)加強(qiáng)型絕緣DC/DC轉(zhuǎn)換器使供電線路具有隔離性能。
為什么要使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器呢？這是由IGBT的屬性決定的，IGBT本質(zhì)上是金屬氧化物半導(dǎo)體電晶體管（MOSFET）和雙極晶體管的一種混合產(chǎn)物，是針對(duì)最低損耗下的高功率開(kāi)關(guān)而設(shè)計(jì)的。此開(kāi)關(guān)接通是通過(guò)盡快對(duì)柵極提供電壓來(lái)進(jìn)行的，但這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生極高的電流峰值（di/dt），從而對(duì)元件產(chǎn)生巨大的電壓應(yīng)力。在di/dt值處于可容許范圍內(nèi)時(shí)，最大開(kāi)關(guān)速度由柵極電阻RG決定。
以上是接通時(shí)的情況。在斷開(kāi)時(shí)的情況則正好相反，必須使用負(fù)電壓控制盡快將柵極電壓VG 釋放。就對(duì)稱(chēng)供電而言（需要使用+15V的電壓確保IGBT處于接通狀態(tài)），我們需要的是看似合理的-15V電壓。但柵極電壓的快速耗盡卻會(huì)產(chǎn)生極高的電壓峰值（dv/dt），這往往又會(huì)降低元件的壽命。在這種情況下，可通過(guò)降低斷開(kāi)時(shí)的控制電壓來(lái)解決這一問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)表明，VG-的最佳值應(yīng)為-9V，此時(shí)即可將柵電量盡快耗盡，又可使dv/dt值保持在可接受范圍內(nèi)。
該文本框概述了上述數(shù)值間的關(guān)系
圖2顯示了IGBT驅(qū)動(dòng)器電路的工作原理。通過(guò)接通和斷開(kāi)時(shí)的電流和電壓曲線，我們可看出IGBT控制所面臨的問(wèn)題。在這種情況下，工程師通常有兩種選擇：（1）選擇具有一個(gè)轉(zhuǎn)換器和±15V電壓的緊湊型設(shè)計(jì)方案，當(dāng)斷開(kāi)時(shí)其所有相關(guān)缺點(diǎn)均會(huì)顯現(xiàn)；（2）選擇含兩個(gè)轉(zhuǎn)換器（電壓分別為15V和-9V）的更為有效的解決方案，但該方案成本更高一些。
圖2：左圖：IGBT驅(qū)動(dòng)器的總體設(shè)計(jì)；右圖：接通/斷開(kāi)時(shí)的電流和電壓曲線；曲線圖清楚的顯示了開(kāi)關(guān)電壓較低時(shí)對(duì)dv/dt負(fù)載產(chǎn)生的積極影響。
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選擇正確DC/DC轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)
為解決上述問(wèn)題，工程師們提出了使用IGBT轉(zhuǎn)換器的想法。IGBT轉(zhuǎn)換器的不對(duì)稱(chēng)輸入電壓通常為+15V/-9V，這樣有可能為IGBT驅(qū)動(dòng)器提供最優(yōu)電壓，確保運(yùn)行中無(wú)需承擔(dān)過(guò)多負(fù)荷。
另一重要標(biāo)準(zhǔn)就是絕緣，絕緣等級(jí)和類(lèi)型在絕緣電壓上體現(xiàn)。
絕緣電壓計(jì)算乍一看十分容易。根據(jù)眾所周知的經(jīng)驗(yàn)法則，絕緣電壓應(yīng)為中間電路電壓的兩倍，但事實(shí)上卻并非如此。由于切換速度較高且相關(guān)的dv/dt切換沿較陡，計(jì)算得出的絕緣電壓值和所需的值其實(shí)相差甚遠(yuǎn)。此外，由于此類(lèi)峰值僅存在幾微秒，我們無(wú)法立刻檢測(cè)出其對(duì)轉(zhuǎn)換器絕緣能力產(chǎn)生的影響。但俗語(yǔ)有云：只要功夫深，鐵杵磨成針，由于轉(zhuǎn)換器長(zhǎng)時(shí)間受到此類(lèi)峰值的沖擊，元件的壽命大大降低這一點(diǎn)也就不足為奇了。
從本質(zhì)上說(shuō)，絕緣類(lèi)型決定了絕緣等級(jí)，而對(duì)絕緣等級(jí)來(lái)說(shuō)，氣隙和爬電距離是兩個(gè)重要指標(biāo)。通常情況下，IGBT驅(qū)動(dòng)器的絕緣為工頻50Hz的電壓，但高達(dá)幾百KHz的頻率在IGBT應(yīng)用中也并不罕見(jiàn)。如此高的頻率以完全不可預(yù)見(jiàn)的方式影響著變壓器材料的電磁性能。此外，陡峭的開(kāi)關(guān)切線沿往往會(huì)觸發(fā)較高的反峰電壓。在這種情況下，僅在變壓器電線上刷一層漆形成標(biāo)準(zhǔn)絕緣層的做法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為提高安全性，需要使用包含漆包線絕緣和其他絕緣層（或稱(chēng)為“基礎(chǔ)絕緣層”）的雙重絕緣。
圖3:非對(duì)稱(chēng)輸出的DC/DC轉(zhuǎn)換器供電圖
總而言之，絕緣電壓應(yīng)遠(yuǎn)高于預(yù)期的峰值電壓。首選解決方案就是使用基礎(chǔ)絕緣層或加強(qiáng)絕緣層，這樣一來(lái)，IGBT轉(zhuǎn)換器會(huì)變得更為可靠。
另一個(gè)可能遇到的障礙是，各廠商數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的絕緣規(guī)格描述有時(shí)會(huì)相互不兼容。為解決這一難題，RECOM開(kāi)發(fā)出了一款簡(jiǎn)化工具——隔離計(jì)算器（見(jiàn)圖4）。它可以幫助大家比較各種規(guī)格并最終找到滿足需求的產(chǎn)品。
圖4:RECOM開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)化工具隔離計(jì)算器
適用于大多數(shù)IGBT應(yīng)用
為滿足行業(yè)需求，RECOM開(kāi)發(fā)了七款應(yīng)用于IGBT驅(qū)動(dòng)的電源模塊，并于今年在紐倫堡PCIM會(huì)展上正式發(fā)布。此次推出的電源模塊均采用+15V和-9V的不對(duì)稱(chēng)輸出，適用于IGBT驅(qū)動(dòng)器控制，輸入電壓則包括5V、12V和24V。該系列產(chǎn)品旨在于各電壓等級(jí)條件下提供最佳的絕緣性能，支持3kV RH-xx1509D）～6.4kV（RxxP1509D）的絕緣電壓范圍，幾乎可以為所有應(yīng)用提供相匹配的絕緣電壓。RECOM工程師同樣對(duì)IGBT轉(zhuǎn)換器的間距問(wèn)題給予了密切關(guān)注。新型號(hào)產(chǎn)品有緊湊型SIP7封裝（RP-xx1509D）、通用型DIP14封裝（RKZ-xx1509D）和DIP24封裝。這些1W和2W模塊已通過(guò)了EN60950-1認(rèn)證，符合RoHS2和REACH等標(biāo)準(zhǔn)。所有模塊均通過(guò)了RECOM嚴(yán)格的質(zhì)量保證測(cè)試，質(zhì)保期為三年。
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