Vincotech公司亚太销售中心           吴鼎
　　
　　摘要高效率对于光伏逆变器而言,毫无疑问是必须的。然而现在对于其他的电力电子应用,高效率同样也是很有挑战性的要求。伴随在高效光伏应用领域的经验,同样可以开拓出下一代高效UPS拓扑。开关损耗是影响效率很重要的一部分,那么就必须降低开关损耗来获得更高的开关频率,进一步获得UPS体积和重量下降带来的好处。高的转换效率减少了电池组的容量和散热的难度。非常明显,高效UPS拓扑是紧凑型、高功率密度型设计的最明智的方法。幸运的是这种高效拓扑的获得并没有增加额外的成本,它只需通过改善寄生电感和UPS内部的电路集成来实现。
　　
　　1 开关损耗能量回馈
　　
　　低寄生电感技术使得工程师可以采用快速开关器件,但是为了维持低的开通损耗,超快续流二极管是必须的。为了获得很低的开通和关断损耗需要做到以下几点:
　　
　　(1)开通的时候增加寄生电感;
　　
　　(2)关断的时候降低寄生电感;
　　
　　(3)存储在寄生电感中的能量EL=LI2/2,需要能量回馈。
　　
　　实现上述目标提到的这种开关特性的方法就是在关断的时候使用超低寄生电感,而开通的时候把超低寄生电感旁路掉,如图1所示。

当VT1关断时,关断损耗能量通过RCD吸收电路中的二极管Dtran把寄生电感中的能量存储在电容Ctran中。该能量进一步由图中Rtran消耗掉。采用这种电路拓扑,可以把功率器件的开关损耗降下来,但是开关损耗的能量被浪费在被动器件上,比如图1中的电阻上。那么一种提高效率的方法就是采用如图2所示的DC/DC能量再生电路。

　　
　　这种方案已经通过在传统功率模块和具有不对称寄生电感的模块中得到验证。现在看一下实验的对比测试结果。以下是测试条件:
　　
　　RG=2Ω(±15V),UDC=600V,IOUT=400A
　　
　　器件:InfineonHS3/1200V/400A
　　
　　1.1IGBT关断
　　
　　人们期望通过功率模块内部集成电容带来的低寄生电感可以有效降低关断时的电压尖峰。图3是50nH对称寄生电感的关断波形,从中可以看到关断时电压尖峰超过1000V,并且和直流母线电容产生振荡。

　　
　　由于IGBT特性,关断尖峰在低温的时候将会变得更加厉害。25℃时,测得的关断尖峰已经大于180%的母线电压。对于额定电压1200V的器件来说,母线的最大允许电压只能是650V。在过载情况下安全关断IGBT变得没有可能。在实际测试中,当测试条件为720A/600V/TJ=25℃时,IGBT已经损坏。同样的测试条件,如果采用不对称寄生电感,电压尖峰可以得到有效的抑制,如图4所示(开通时L=50nH,关断时L=5nH)。

　　
　　1.2IGBT开通
　　
　　图1中IGBT开通时,续流二极管会反向恢复,反向恢复电流会增加到IGBT的输出电流中。如图5所示,开通时和关断时L均为50nH。

　　
　　采用不对称寄生电感技术,电流的波形基本一致,但是内部集成的吸收电容的确会对续流二极管的反向恢复造成一定的影响,如图6所示(开通时L=50nH,关断时L=5nH)。当开通时,D1的反向恢复电流会增加VT1中的电流。该电流在反向恢复截止时开始下降,但是开通时额外的能量被存储在寄生电感Lparasitic中。其中的一部分能量会注入电容中,这会减少二极管的反向恢复损耗和IGBT里面流过的电流。当然会明显地减少开关损耗。

　　
　　采用不对称寄生电感后,开通电感可以进一步增加来降低开通损耗。

表1列出了采用对称寄生电感和采用不同的不对称寄生电感后功率器件损耗的对比。通过对比可以明显看到,采用不对称寄生电感后,功率器件所有的损耗都有下降,且随着开通电感的增加,损耗下降的更加明显。通过对比分析,采用不对称寄生电感技术后,可以带来几大优点:
　　
　　(1)具有基于普通器件的卓越的开关特性。由于是基于普通功率器件来降低损耗,这并没有带来额外的成本增加;
　　
　　(2)减少EMI干扰。增加的开通寄生电感可以有效的抑制在功率器件中的尖峰电流,该尖峰电流是EMI干扰的一个主要源头;
　　
　　(3)可以不使用BusBar(叠层母排)。由于采用不对称寄生电感技术,现在直流母排上的寄生电感是受欢迎的,因为它可以带来开通损耗的下降。昂贵的高度层压的低寄生电感BusBar,现在就不再需要,带来成本的大幅下降。这对于新设计而言,无疑是很大的一个好处;
　　
　　(4)减少模块自带吸收电容上的纹波电压。在开通的时候,由于二极管Dtran存在,电容不会放电。这样就可以减少电容电压的波动,同时它的功率耗散也会减少,进一步降低电容温度。
　　
　　（未完待续）

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