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（如電機控制）發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用，是不可或缺的組成部分。

 

IGBT還廣泛應用于高電壓、大功率負載切換。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 )隨光照強度和天氣變化而產(chǎn)生波動(dòng)，因此必須設置一個(gè)穩壓裝置。而想要設計一個(gè)輸出電壓范圍在DC800V~1000V的穩壓電路，就必須使用IGBT升壓轉換器。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行。IGBT則在可變的頻繁開(kāi)關(guān)下運行，該頻率可能會(huì )高達300kHz，這會(huì )讓相關(guān)元件產(chǎn)生巨大的電壓應力。
 

圖1：必須通過(guò)加強型絕緣DC/DC轉換器來(lái)控制升壓轉換器和交流逆變器，從而確保高壓側與低壓控制側具有良好的隔離性能。

 

顯而易見(jiàn)，經(jīng)升壓后的電源無(wú)法直接供應至電網(wǎng)，因此需要第二級的IGBT模塊來(lái)進(jìn)行二次逆變。脈寬調制信號是通過(guò)兩個(gè)相位相反的信號來(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，必須將控制頻率設定在10～20kHz范圍內。后級LC濾波器可使電壓穩定輸出，讓輸出電壓順利實(shí)現并網(wǎng)。

 

我們已經(jīng)了解IGBT的工作方式，但還不清楚安裝DC/DC轉換器的目的是什么，只有對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)現控制信號隔離，同時(shí)使用兩個(gè)加強型絕緣DC/DC轉換器使供電線(xiàn)路具有隔離性能。

 

為什么要使用兩個(gè)轉換器呢？這是由IGBT的屬性決定的，IGBT本質(zhì)上是金屬氧化物半導體電晶體管（MOSFET）和雙極晶體管的一種混合產(chǎn)物，是針對最低損耗下的高功率開(kāi)關(guān)而設計的。此開(kāi)關(guān)接通是通過(guò)盡快對柵極提供電壓來(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），從而對元件產(chǎn)生巨大的電壓應力。在di/dt值處于可容許范圍內時(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，必須使用負電壓控制盡快將柵極電壓VG 釋放。就對稱(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)驗表明，VG-的最佳值應為-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。

該文本框概述了上述數值間的關(guān)系

 

圖2顯示了IGBT驅動(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(xiàn)，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)轉換器和±15V電壓的緊湊型設計方案，當斷開(kāi)時(shí)其所有相關(guān)缺點(diǎn)均會(huì )顯現；（2）選擇含兩個(gè)轉換器（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驅動(dòng)器的總體設計；右圖：接通/斷開(kāi)時(shí)的電流和電壓曲線(xiàn)；曲線(xiàn)圖清楚的顯示了開(kāi)關(guān)電壓較低時(shí)對dv/dt負載產(chǎn)生的積極影響。

 

為解決上述問(wèn)題，工程師們提出了使用IGBT轉換器的想法。IGBT轉換器的不對稱(chēng)輸入電壓通常為+15V/-9V，這樣有可能為IGBT驅動(dòng)器提供最優(yōu)電壓，確保運行中無(wú)需承擔過(guò)多負荷。

 

另一重要標準就是絕緣，絕緣等級和類(lèi)型在絕緣電壓上體現。

 

絕緣電壓計算乍一看十分容易。根據眾所周知的經(jīng)驗法則，絕緣電壓應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，計算得出的絕緣電壓值和所需的值其實(shí)相差甚遠。此外，由于此類(lèi)峰值僅存在幾微秒，我們無(wú)法立刻檢測出其對轉換器絕緣能力產(chǎn)生的影響。但俗語(yǔ)有云：只要功夫深，鐵杵磨成針，由于轉換器長(cháng)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，而對絕緣等級來(lái)說(shuō)，氣隙和爬電距離是兩個(gè)重要指標。通常情況下，IGBT驅動(dòng)器的絕緣為工頻50Hz的電壓，但高達幾百KHz的頻率在IGBT應用中也并不罕見(jiàn)。如此高的頻率以完全不可預見(jiàn)的方式影響著(zhù)變壓器材料的電磁性能。此外，陡峭的開(kāi)關(guān)切線(xiàn)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(xiàn)上刷一層漆形成標準絕緣層的做法是遠遠不夠的。為提高安全性，需要使用包含漆包線(xiàn)絕緣和其他絕緣層（或稱(chēng)為“基礎絕緣層”）的雙重絕緣。

圖3:非對稱(chēng)輸出的DC/DC轉換器供電圖

 

總而言之，絕緣電壓應遠高于預期的峰值電壓。首選解決方案就是使用基礎絕緣層或加強絕緣層，這樣一來(lái)，IGBT轉換器會(huì )變得更為可靠。

 

另一個(gè)可能遇到的障礙是，各廠(chǎng)商數據手冊中給出的絕緣規格描述有時(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——隔離計算器（見(jiàn)圖4）。它可以幫助大家比較各種規格并最終找到滿(mǎn)足需求的產(chǎn)品。

圖4:RECOM開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)化工具隔離計算器

 

 

為滿(mǎn)足行業(yè)需求，RECOM開(kāi)發(fā)了七款應用于IGBT驅動(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的不對稱(chēng)輸出，適用于IGBT驅動(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，幾乎可以為所有應用提供相匹配的絕緣電壓。RECOM工程師同樣對IGBT轉換器的間距問(wèn)題給予了密切關(guān)注。新型號產(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認證，符合RoHS2和REACH等標準。所有模塊均通過(guò)了RECOM嚴格的質(zhì)量保證測試，質(zhì)保期為三年。