2 具有能量回馈的三电平UPS概念
　　
　　在获得以上这些优点之前,有一个问题需要先解决。那就是存储在板上电容中的能量需要以最大效率再生。这就要求一个对称的Buck电路。同样的电路在UPS系统中用来对电池进行充电。我们的想法是同样使用UPS中给电池充电的Buck回路来进行电容中能量再生,如图7所示。这样就没有带来任何额外的成本。

　　
　　2.1Snubber(吸收)电容能量再生电路工作原理
　　
　　(1)存储在PFC直流母排、逆变器直流母排寄生电感中的能量转移到Sunbber电容中;
　　
　　(2)Snubber电容和输入PFC及输出逆变器之间相连;
　　
　　(3)图7中二极管diode是用来阻止IGBT开通、反并二极管反向恢复时电容直接放电;
　　
　　(4)存储在电容中的能量只能用来对直流母线或者电池充电。
　　
　　在三相UPS系统中,所有的板上Snubber电容都被连接到一起,如图8所示。一个统一的中央Buck电路就能对电池充电或者把能量回馈到直流母线。

　　
　　2.2上述拓扑的几大优点
　　
　　(1)寄生电感减小了开通损耗且不要求外在的直流母排具有低寄生电感特性;
　　
　　(2)减小关断和开通损耗。板上电容在IGBT关断和续流二极管反向恢复的时候进行储能;
　　
　　(3)无需增加额外努力和成本,存储在Sunbber电容中的能量回馈到直流母线上。从而提高系统效率。
　　
　　3 功率模块的定义
　　
　　为了把上述的想法发挥到极致,需要把它们融合到接下来的功率模块中。以下是一个UPS功率模块的要求。
　　
　　(1)输出功率200kVA,开关频率20kHz;
　　
　　(2)采用不对称寄生电感技术,并具有能量再生;
　　
　　(3)三电平拓扑。
　　
　　4 功率模块的产品概念生成
　　
　　UPS拓扑需要专业的对应的功率模块来支撑它的PFC和逆变。
　　
　　4.1输入PFC模块

　　
　　图9是一个标准的PFC输入模块。基本特性如下:
　　
　　(1)2×650V/600A功率级;
　　
　　(2)基于板上Snubber电容的不对称寄生电感技术及DC/DC能量再生;
　　
　　(3)对称的boost电路。
　　
　　4.2输出功率模块
　　
　　(1)1200V/600A功率级;
　　
　　(2)基于板上Snubber电容的不对称寄生电感技术及DC/DC能量再生;
　　
　　(3)图10为混合中性点钳位三电平拓扑(MNPC)。

　　
　　该功率模块带有直流Snubber电容和二极管。主功率流通过吸收电容旁边的螺栓端子连接。
　　
　　模块侧面的螺栓端口是用来为所有功率器件的直流母线电压端口和节点提供低寄生电感的接口。如图11所示。

　　
　　模块侧面的接口可以为以下几种不同的配置要求提供支持,已使得所有的功率器件都具有低寄生电感特性。
　　
　　(1)图11中的3个独立模块,可以通过侧面接口把所有的吸收回路并联到一起来获得较好的吸收效果。
　　
　　(2)模块并联。当模块并联时,侧面的接口可以提供给每个功率器件低寄生电感特性。
　　
　　(3)吸收电容扩容。超低寄生电感还可以通过在侧面端口增加额外的吸收电容来获得。当三相PFC和逆变电路其中一个功率器件在每次切换的时候,都可以通过该接口来利用所有的吸收电容。
　　
　　5 结束语
　　
　　不对称寄生电感和能量再生技术,带来开关损耗下降的同时,并没有增加额外的成本和努力。这种技术甚至可以为UPS系统中的电池充电服务。
　　
　　采用这种技术后,将会带来以下明显的好处:
　　
　　(1)不需要使用BusBar(叠层母排)。直流母排寄生电感(即开通寄生电感)可以带来开通损耗的下降,而低寄生电感又可以有效解决关断尖峰的问题;
　　
　　(2)Snubber二极管可以减小吸收电容上的电压波动和损耗;
　　
　　(3)减小EMI干扰和对直流母线电容的冲击;吸收二极管可以有效地抑制震荡的产生,且增加的开通寄生电感可以降低对直流母线电流的冲击。
　　
　　(4)采用普通功率器件,获得一流的开关性能,提高效率;
　　
　　(5)能量再生回路无需额外的器件和成本,因为它就是UPS中电池充电回路。作者简介
　　
　　

吴鼎,男,Vincotech公司亚太销售中心应用工程师。主要从事光伏逆变器、UPS、变频器中IGBT功率模块的应用。

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