加强型隔离DC/DC转换器，提高IGBT开关可靠性
品慧电子讯本文介绍了加强型隔离DC/DC转换器在IGBT系统中的作用，主要通过电力电子的标准开关、DC/DC转换器的强度测试、与同类比较及IGBT应用的综合产品系列方面进行详细说明。IGBT，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，它是在需要快速切换的应用中必不可少的电子器件。因为它们通常在高压下工作，驱动器电子设备和电源之间隔离的质量决定了整个电路的可靠性。本文介绍了加强型隔离DC/DC转换器在IGBT系统中的作用。
当前可再生能源高速发展，加快了“绿色电子”的开发。如今，电力来自可再生能源，主要来自风力涡轮机和太阳能发电厂。光伏电池产生的直流电流，其电流强度是通过所获取的阳光强度而确定的。风力涡轮机产生交流电，但频率取决于风速。因此，这两种形式的电力都不适合直接输送到电网，都需要转换。这就需要通过高效、大功率的逆变器装置来实现的。第一步，生成一个等幅的直流电压。第二步，再转换成高频电流，并将加入脉宽调制。IGBT（绝缘的栅双极型晶体管）作为快速动作的电源开关，它的驱动器是通过小型DC/ DC转换器来供电的，具有良好的隔离。隔离的质量决定了整个系统的可靠性。
图1：带助推器和逆变器（顶部）的太阳能发电厂功能图。每个IGBT驱动器都有一个良好的带隔离的DC/DC转换器供电。设备通过一个高频PWM信号控制，这个信号输出平滑的正弦波（左）。电力电子的标准开关类似于MOSFET，IGBT是小电流驱动的大功率元件，就像双极晶体管，它们可以在一个极低的集电极-发射极电压下工作。驱动功率小而饱和压降低这使它们成为理想的开关。在简单的逆变器里，两个相位相反的IGBT由一个频率至少是10kHz 的PWM信号控制。要想达到令人满意的效率，开关的间隙必须非常陡峭。然而由于控制信号是由微型控制器产生的，间隙角度太低，所以不能直接驱动IGBT。因此有必要使用IGBT驱动器使切换速率加速到1000V/μs左右。由于IGBT往往在高电位浮动，非隔离控制逻辑必须通过光电耦合器隔离。此外，驱动器的供电电压一般在+15V到-9V之间，也需要隔离。这可以通过隔离的DC/DC转换器来实现。123下一页> - 第一页：电力电子的标准开关
- 第二页：DC/DC转换器的强度测试
- 第三页：IGBT应用的综合产品系列
DC/DC转换器的强度测试乍一看，对DC/DC转换器隔离电压的要求似乎不是特别严格的。因为AC电压的峰值没有超过650V，根据相对应的通用公式，我们可以假设1秒钟2kVDC的隔离电压就足够了。然而，实际上事情要复杂得多。
图2：变压器和其周边的元件分布的区域确定隔离的质量。RECOM的REC3.5提供高达10kVDC/sec的隔离一个DC/DC转换器的隔离，以及变压器周围的空气、路径和爬电路径通常指定的测试频率为50Hz。出于效率原因，IGBT开关的工作频率明显高于10kHz，甚至300kHz也并不少见。在这样的频率下，电磁元件和材料表现出完全不同的工作状态。由于开关速率（1000V/μs左右）极高的dV/dt致使电压峰值幅度非常大，变化沿对DC/DC转换器的隔离施加着额外的压力，这是由于耦合电容和其他隐藏的电容出现在导电线路和变压器之间的电路中。然而，采用适当的测量技术测量出的结果并不是很可靠。这是由于事实上一连上示波器探头，系统的运作状态就变了。一个测得的电压峰值，例如是2kV，已经通过探头衰减，因此实际的峰值可能会高得多。这种峰值没有现成的公式进行计算，所以不能准确地得出电磁材质在高频率下的工作状态。因此有必要根据经验值预留一个充足的安全缓冲区。从以往的经验来看，我们知道一个IGBT电路的使用寿命直接取决于DC/DC转换器的隔离质量。然而，更好的隔离并不是机械地等同于有一个较高的隔离电压，而是通常指大家已知的医疗电子领域的加强型隔离质量。必须注意，上述影响一般不会立即导致缺陷或故障出现。类似于一个堤坝，它受到高水压作用的时间越长，它就会变的越弱，然后突然破裂。同理，接近极限荷载越频繁，往往将导致DC/ DC转换器的隔离屏障最终出现故障。这会对整个系统产生灾难性的后果。同类比较在某些规格书中，隔离电压的测试时间有可能是1秒钟或者1分钟甚至是一个连续的长时间。测试加载时间越长，其测试电压就会越低。为了使用户能够准确地确定这个关键值，RECOM提供一个CD光盘尺寸大少的免费ISO计算工具。一个隔离电压时间规格的转换器。只要发送邮件到info@recom-electronic.com 即可免费索取ISO计算器。另外，在网站www.recom-electronic.com上也可以找到这个在线工具。
图3：RECOM的数据光盘收录了所有隔离规格的相关参考值除了测试电压高低之外，隔离的质量也是非常重要的。隔离最简单的形式，被称为功能隔离，是通过变压器来实现的，就是将初级绕组和次级绕组，一个直接绕在另一个的上面。漆包线的绝缘层可以耐受测试电压1000VDC/1s。然而，这个绝缘层会随着时间的推移而变脆弱，特别是如果它被暴露在较高的环境温度、湿度、振动就更容易变弱。在某些阶段，即使规格书介绍的与此相反，它也可能会失效。这就是为什么UL定义了三种不同的隔离等级，明确提出电气间隙和爬电距离。电气间隙是两点之间的直线距离，爬电距离是沿着表面的路径。要符合最低UL“基础”等级，一个24VDC输入电压的转换器，它的电气间隙和爬电距离分别是0.5mm和1.0mm。要达到“补充”等级，这些值要翻倍达到1.0mm和2.0mm。要达到加强隔离的最高等级，上述的转换器必须要满足2.0mm和4.0mm的电气间隙和爬电距离，这已是“基础”等级的四倍了。
图4：UL规格中加强隔离的医疗电子的电气间隙和爬电间隙，使IGBT电路提高了安全性。加强型隔离对医疗电子设备是非常必要的。在电力电子里没有相应的规格。然而我们可以假设在设备有效寿命的使用过程中，带有加强型隔离的转换器会比带基础隔离或只有功能隔离的转换器受到更好的保护，防止应力发生。这就是为什么尽管成本会稍高，可越来越多制造商还是在IGBT应用中选择使用加强型隔离DC/DC转换器。RECOM有自己的新的变压器概念，它已经能做出更小巧的带加强型隔离的转换器，而且还更低价。这意味着安全不再是价钱的问题了。<上一页123下一页> - 第一页：电力电子的标准开关
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IGBT应用的综合产品系列除了众多隔离功能的转换器之外，RECOM提供1W和2W高隔离转换器产品——RK（4000VDC/1s），RP（5200VDC/1s）和RV（6000VDC/1s）。这些转换器已经广泛使用在IGBT应用中。RECOM推出的最新系列是RxxPxx和RxxP2xx系列，它们各自有6400VDC和8000VDC/1s隔离电压。它们的额定功率为1W或2W，也是加强型隔离转换器，小巧的SIP7封装。RV系列中的2W版本，现在也提供DIP24封装，可方便安装到现有的设计方案。因为效率接近88%，工作温度可以高达+85°C，所以无须主动冷却或降额使用。
图5：尽管设计复杂，1W和2W系列也提供高达8kV/DC/秒的加强隔离两个较大功率的REC系列，有8000VDC或10,000VDC/1s的隔离电压，DIP24封装。在3.5W和6W下，它们的功率相比同类无加强型隔离的产品高出大概20%，它有高达86%的效率。这也使得当REC3.5在+85°C的工作温度下和REC6在+75°C的工作温度下无须主动冷却或降额使用。外壳允许的最高温度可达+105°C。尽管隔离设计复杂很多，上述产品也只是比传统技术转换器的价格稍微高一点。所有产品都按照RECOM转换器的惯例享有三年保修。在开发阶段，所有的产品都在RECOM的环境实验室经过大量的HALT试验，以确保其使用寿命。<上一页123 - 第一页：电力电子的标准开关
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