【導(dǎo)讀】IGBT是電源中的一個(gè)核心部分，其主要特點(diǎn)是開關(guān)速度快，通常應(yīng)用于逆變器或電機(jī)控制系統(tǒng)。一般IGBTS的驅(qū)動(dòng)電路由體積小、效率高的DC/DC轉(zhuǎn)換器組成，因此轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的。那么如何用DC/DC轉(zhuǎn)換器來延長IGBT壽命呢？
由于IGBT小電流轉(zhuǎn)換大功率的能力，在電源中已是不可或缺的一部分。在不同類型的電路應(yīng)用中，IGBT已成了首選的解決方案，如變頻器。隨著電力費(fèi)用的不斷上漲，變頻器可以有效地提高工廠生產(chǎn)效率。其主要作用是調(diào)節(jié)三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于電網(wǎng)的頻率，所以可以通過改變電網(wǎng)頻率從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
標(biāo)準(zhǔn)變頻器的設(shè)計(jì)
變頻器主要由三部分組成：整流、濾波及逆變（如圖1所示)。首先將三相供電電源經(jīng)全波整流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}沖，然后經(jīng)濾波電容平滑濾波。最后經(jīng)逆變器調(diào)節(jié)輸出電壓及輸出頻率。而逆變器主要由六個(gè)IGBT組成，兩個(gè)一組形成三個(gè)支流回路，然后通過對(duì)濾波之后的電壓用脈寬調(diào)制方法(pulse width modulation, PWM)調(diào)節(jié)逆變器輸出。
圖1：變頻器原理圖
IGBT驅(qū)動(dòng)
IGBT由集成驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其提供電源并加以控制，而驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)于輸入部分則是獨(dú)立的，因此需要進(jìn)行電氣隔離，光耦一般作為控制信號(hào)的隔離。對(duì)于IGBT的供電電源，通常由兩個(gè)增強(qiáng)型隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器提供。
IGBT結(jié)合了MOSFET的高輸入阻抗以及雙極型三極管的低導(dǎo)通壓降的特性，且可被小電流控制。由于IGBT導(dǎo)通時(shí)，在集電極-發(fā)射極之間有很小的壓降，損耗很低，因此作為切換高壓和大電流，IGBT是最理想的選擇。在IGBT導(dǎo)通的過程中，柵極電容充電越快越好，但是這也會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間的電流尖峰。柵極電阻RG則限制了在可接受的di/dt條件下最長允許導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，柵極電容放電越快越好，這可以用適當(dāng)?shù)目刂齐妷篤G-達(dá)成。當(dāng)使用對(duì)稱電源為IGBT供電，+15V作為其導(dǎo)通電壓，則關(guān)斷電壓VG-為-15V。如果柵極電壓下跌太快，設(shè)備的器件會(huì)承受很大的電壓尖峰。為了保護(hù)部件，通常會(huì)在關(guān)斷時(shí)需要降低控制電壓，并且還要在可接受的dv/dt條件下迅速放電，由測試發(fā)現(xiàn)-9V是一個(gè)比較合適的關(guān)斷電壓。由圖2所示的IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷的電流和電壓曲線可知，不同的關(guān)斷電壓，對(duì)IGBT性能影響有明顯區(qū)別。所以工程師可以有兩種選澤：使用簡單對(duì)稱式±15V的轉(zhuǎn)換器；或者為了更好的性能選擇費(fèi)用高、體積大的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器，為其提供+15V和-9V。
圖2：IGBT開關(guān)；右邊是電流和電壓開關(guān)的曲線圖。降低關(guān)斷電壓至可接受的dv/dt負(fù)載的優(yōu)勢是十分顯著的
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圖3：在IGBT的控制階段(圖1的IAS)中，控制電路(藍(lán)色)和電源電路(紅色)是完全分開的
為什么隔離對(duì)于延長使用壽命如此重要
如濾波之后的電壓在560V左右，所以隔離強(qiáng)度好像不是一個(gè)大問題。以經(jīng)驗(yàn)來說，我們會(huì)認(rèn)為隔離電壓是濾波電壓的兩倍就已足夠。但是如果考慮到高達(dá)16kHz的開關(guān)頻率和陡峭的開關(guān)沿，很明顯也要把其他方面因素考慮進(jìn)去以達(dá)到有效的隔離。因?yàn)殚_關(guān)速度通常都在μs的范圍之內(nèi)，所以絕緣失效并不會(huì)被立即發(fā)現(xiàn)。但是隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，負(fù)載可以導(dǎo)致器件提前發(fā)生故障，正如俗話所說「水滴石穿」。
當(dāng)考慮隔離的時(shí)候，變壓器的電氣間隙和爬電距離極為重要。電氣間隙和爬電距離通常在頻率50Hz的條件下給出標(biāo)稱值。通常在電機(jī)控制系統(tǒng)中會(huì)發(fā)現(xiàn)在較高且不規(guī)律的頻率下，磁性器件和材料的自身屬性會(huì)產(chǎn)生很大的不同。另外，陡峭的開關(guān)沿也會(huì)產(chǎn)生寄生電容。因此僅僅仰賴變壓器繞組的功能型隔離是不明智的。雙重型或基本型的隔離因變壓器內(nèi)部繞組之間多加了一層絕緣材料，因此可以提供更高的安全保障。
綜上所述，我們建議選擇遠(yuǎn)高于預(yù)期的電壓峰值的隔離電壓。如果與基本型或增強(qiáng)型隔離相結(jié)合，IGBT轉(zhuǎn)換器的可靠性可以大幅度提升。事實(shí)上，廠商不會(huì)都在規(guī)格書中提供足夠的產(chǎn)品信息，這會(huì)讓工程師很難在同類產(chǎn)品中做比較。有的規(guī)格書中的隔離耐壓的測試時(shí)間是「一秒」，而其他的規(guī)格書卻是「一分鐘」或「連續(xù)的」。測試的時(shí)間越久，隔離耐壓值越低。為了確保使用者可以精確地判斷隔離值，RECOM研發(fā)出一個(gè)隔離值計(jì)算器，它可以讓您簡單的比較不同產(chǎn)品之間的隔離差異。
高性能的RECOM IGBT轉(zhuǎn)換器
為了盡可能滿足各種應(yīng)用的需求，RECOM推出了7種系列IGBT轉(zhuǎn)換器。所有轉(zhuǎn)換器在5V、12V或24V的輸入電壓時(shí)具有+15V和-9V的非對(duì)稱輸出，可謂是對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)專業(yè)定制的轉(zhuǎn)換器。同時(shí)RECOM也提高了IGBT轉(zhuǎn)換器的隔離等級(jí)，從3kV (RH-xx1509D)到6.4kV (RxxP1509D)的隔離耐壓可以很好的滿足不同的應(yīng)用。為了滿足工程師對(duì)轉(zhuǎn)換器的體積的要求，因此我們新系列IGBT轉(zhuǎn)換器為工程師提供了更多的尺寸選擇：小巧型SIP7封裝 (RP-xx1509D)、常規(guī)型DIP14封裝 (RKZ-xx1509D)、扁平微型DIP24 (RV-xx1509D)。
這些1W和2W模塊通過了EN60950-1認(rèn)證，符合RoHS2和REACH規(guī)范不含任何有害物質(zhì)，并依照RECOM產(chǎn)品的慣例享有三年質(zhì)量保證。
