新穎的自動恒流放電系統的設計

3 估算發熱

根據上述對ＩＧＢＴ的分析研究,三棱Ｈ系列ＩＧＢＴ器件―ＣＴ６０是基于第三代ＩＧＢＴ技術和續流二極管技術,為功率電路設計、緩沖電路（吸收回路）設計及熱設計而采用的大功率器件。它的最大允許峰值電壓ＶＣＥＳ為１０００Ｖ;最大通過峰值電流ＩＣ為６０Ａ;Ｔ＝２５°Ｃ時ＩＧＢＴ的最大允許功耗為２５０Ｗ;Ｔ＝２５°Ｃ時ＩＧＢＴ結溫的允許范圍為－４０～１５０°Ｃ;在規定條件和額定集電極電流下,ＩＧＢＴ的飽和壓降（通態電壓）ＶＣＥ（ｓａｔ）為２．６Ｖ;開通和過渡時間ｔｄｏｎ　為０．１５μｓ;上升時間ｔｒ為０．３μｓ;關斷過渡時間ｔｄｏｆｆ　為０．３μｓ;續流二極管的正向壓降ＶＥＣ為３Ｖ。

由此可知最大導通功耗：

ＰＳＳ＝ＶＣＥ（ｓａｔ）×ＩＣ×ｎ＝２．６×２５×０．８５＝５５．２５Ｗ

而開關損耗

ＰＳＷ＝（０．７＋６．２　×２０＝６．９×２０＝１３８Ｗ

則ＩＧＢＴ的總功耗

ＰＣ＝ＰＳＳ＋ＰＳＷ＝１９３．２５Ｗ＜２５０Ｗ（額定功耗值）

在計算了ＩＧＢＴ的總平均功耗ＰＣ＝１９３．２５Ｗ后,就可估算ＩＧＢＴ表面部分的平均結溫Ｔｊ＝Ｔｃ＋Ｐｃ×Ｒｔｈ（ｊ－ｃ）,其中Ｔｃ為環境溫度（假設環境溫度為３０°Ｃ）,Ｐｃ為總平均功耗,Ｒｔｈ（ｊ－ｃ）為標定的結殼熱阻（查ＣＴ６０的標定結殼熱阻為０．４°Ｃ／Ｗ）,則ＩＧＢＴ的表面平均結溫：

Ｔｊ＝Ｔｃ＋Ｐｃ×Ｒｔｈ（ｊ－ｃ）＝３０＋１９３．２５×０．４＝１０７．３°Ｃ

通過計算可知,不能忽視ＩＧＢＴ在運行中所發生的巨大導通功耗和開關功耗。而這些功耗通常表現為熱,所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導到外部環境中去。當把ＩＧＢＴ安裝在散熱器上時,還應注意避免安裝受力不均勻,因此使用平面度為１５０μｍ的散熱器。為了達到有效地把熱量傳導到外部散熱器,在傳熱界面要選擇使用在工作溫度內性能穩定并且在裝置壽命期內性能不發生變化的導熱硅脂。

4 系統保護

由于實際的功率電路線路中總有寄生漏電感,當ＩＧＢＴ被關斷時,感性負載中的電流不可能立刻發生變化,該負載電感兩端產生阻止母線電流減少的電壓Ｖ（Ｖ＝Ｌｄｉ／ｄｔ）。它與電源電壓相迭加并以浪涌電壓的形式加在ＩＧＢＴ的兩端。在極端情況下,該浪涌電壓會超過ＩＧＢＴ的額定值Ｖｃｅｓ并導致它損壞。在ＩＧＢＴ功率回路中引起浪涌電壓的能量與１／２ＬｐＩ２成比例,Ｌｐ是母線的寄生電感,Ｉ是工作電流。由此可見,在使用大電流的器件時更加需要降低功率回路的電感。因此為了得到一種適合大電流工作的低母線電感電路,就需要特殊的母線結構。有交錯鍍銅層和絕緣層構層的迭層母線設計,可以使電感量降低。迭層母線中被絕緣層隔離的寬板用于正極和負極母線的連接,這種寬板起到了防止功率回路中寄生電感的作用。

其次,好的緩沖電路可以有效控制浪涌電壓的關斷和用續流二極管恢復浪涌電壓,用以減少功率器件的開關損耗。ＩＧＢＴ緩沖電路與傳統的雙極晶體管緩沖電路存在兩個方面的區別：一是ＩＧＢＴ具有強大的開關工作區,緩沖電路只需控制瞬態電壓而不需要保護就可以抑制伴生達林頓晶體管的二次擊穿超限;二是ＩＧＢＴ常工作在比達林頓高得多的頻率范圍。三種ＩＧＢＴ緩沖電路如圖３所示。

緩沖電路“Ｂ”使用快恢復二極管可箝住瞬變電壓,從而抑制振蕩的發生。緩沖電路“Ｂ”的ＲＣ時間常數,應該設為該開關周期的約１／３（τ＝Ｔ／３＝１／３ｆ）。但對于大功率級別的ＩＧＢＴ工作,緩沖電路“Ｂ”的回路寄生電感將變得很大,以至不能有效地控制瞬變電壓。由于大功率ＩＧＢＴ電路需要極低電感量的緩沖電路,而且緩沖電路必須盡可能地聯到ＩＧＢＴ上,設計緩沖電路時,得考慮二極管封裝內的寄生電感和緩沖電容引線的寄生電感。通常,小電容并聯或二極管并聯產生的電感量比大的單電容或單二極管產生的電感量更低。

ＩＧＢＴ在運行中會有導通功耗與開關功耗發生。這些功耗通常表現為熱,所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導到外部環境中去。如熱系統設計不當,功率器件將過熱并導致損壞。導通損耗伴隨ＩＧＢＴ處于通態并傳導電流而發生。導通期間的總功耗是由通態飽和電壓與通態電流的乘積來計算的。在ＰＷＭ的應用中,導通損耗須與占空比因子相乘,從而得到平均功率。導通損耗的一次近似可通過ＩＧＢＴ的額定ＶＣＥ（ｓａｔ）值與期待的器件平均電流值的乘積來得到,即ＰＳＳ＝ＶＣＥｓａｔ　×Ｉｃ。開關損耗是在ＩＧＢＴ開通與關斷過渡過程期間的功率損耗。當ＰＷＭ信號頻率高于５ｋＨｚ時,開關損耗會非常顯著,一定要在熱設計中予以考慮。得到開關損耗的最精確的方法是測量在開關過渡過程中Ｉｃ與Ｖｃｅ的波形。將此波形逐點相乘,從而得到功率的瞬時波形,此功率波形下面的面積就是以焦耳／脈沖為單位的開關能量,這一面積通常通過作圖積分來計算。總開關能量是開通與關斷過程所耗能量之和,平均開關損耗是由單脈沖總開關能量[１]與ＰＷＭ頻率相乘得到,即：平均開關功耗ＰＳＷ＝ｆＰＷＭ×[ＥＳＷ(ｏｎ)＋ＥＳＷ(ｏｆｆ)]。而總功耗為導通功耗與開關功耗之和,即ＰＣ＝ＰＳＳ＋ＰＳＷ。此放電系統也將利用該公式來估算ＩＧＢＴ器件的平均功耗。

5 ＰＣＢ的總體可靠性設計

良好的電路布局是保證設備和電路安全運行及長壽命的重要前提,同時工藝限制也對ＰＣＢ提出了嚴格的要求,應遵循以下幾條原則：

?ＰＣＢ可靠性設計應做到系統集成化、專業化設計。總體考慮電源地線布置、去耦與排線設計。區域分配應注意模擬電路、數字電路、功率器件的布局[２]。

?可靠的電源、地線設計應做到模擬、數字的分別供電,減少地線公共阻抗,防止形成地線回路,同時保證一點接地以及電源入口的去耦設計。

該自動恒流放電模塊可配合智能蓄電池組監測系統使用,當放電時放電電流連續可調,此時智能蓄電池組監測系統將監測每節電池的電壓變化,當有任一節電池電壓低于設定值時（或交流停電）,放電自動停止,顯示放電時間,并予以記錄。該模塊也可單獨使用,當放電時放電電流連續可調,此時需人工監測每節電池的電壓,控制放電模塊停止放電。本設備使用簡單,安全可靠,恒流精度高,可廣泛應用于需要對蓄電池或電源進行恒流負載放電的場合。