新颖的自动恒流放电系统的方案设计
3 估算发热
根据上述对ＩＧＢＴ的分析研究,三棱Ｈ系列ＩＧＢＴ器件—ＣＴ６０是基于第三代ＩＧＢＴ技术和续流二极管技术,为功率电路设计、缓冲电路（吸收回路）设计及热设计而采用的大功率器件。它的最大允许峰值电压ＶＣＥＳ为１０００Ｖ;最大通过峰值电流ＩＣ为６０Ａ;Ｔ＝２５°Ｃ时ＩＧＢＴ的最大允许功耗为２５０Ｗ;Ｔ＝２５°Ｃ时ＩＧＢＴ结温的允许范围为－４０～１５０°Ｃ;在规定条件和额定集电极电流下,ＩＧＢＴ的饱和压降（通态电压）ＶＣＥ（ｓａｔ）为２．６Ｖ;开通和过渡时间ｔｄｏｎ 为０．１５μｓ;上升时间ｔｒ为０．３μｓ;关断过渡时间ｔｄｏｆｆ 为０．３μｓ;续流二极管的正向压降ＶＥＣ为３Ｖ。
由此可知最大导通功耗：
ＰＳＳ＝ＶＣＥ（ｓａｔ）×ＩＣ×ｎ＝２．６×２５×０．８５＝５５．２５Ｗ
而开关损耗
ＰＳＷ＝（０．７＋６．２ ×２０＝６．９×２０＝１３８Ｗ
则ＩＧＢＴ的总功耗
ＰＣ＝ＰＳＳ＋ＰＳＷ＝１９３．２５Ｗ＜２５０Ｗ（额定功耗值）
在计算了ＩＧＢＴ的总平均功耗ＰＣ＝１９３．２５Ｗ后,就可估算ＩＧＢＴ表面部分的平均结温Ｔｊ＝Ｔｃ＋Ｐｃ×Ｒｔｈ（ｊ－ｃ）,其中Ｔｃ为环境温度（假设环境温度为３０°Ｃ）,Ｐｃ为总平均功耗,Ｒｔｈ（ｊ－ｃ）为标定的结壳热阻（查ＣＴ６０的标定结壳热阻为０．４°Ｃ／Ｗ）,则ＩＧＢＴ的表面平均结温：
Ｔｊ＝Ｔｃ＋Ｐｃ×Ｒｔｈ（ｊ－ｃ）＝３０＋１９３．２５×０．４＝１０７．３°Ｃ
通过计算可知,不能忽视ＩＧＢＴ在运行中所发生的巨大导通功耗和开关功耗。而这些功耗通常表现为热,所以必须采用散热器把这些热量从功率芯片传导到外部环境中去。当把ＩＧＢＴ安装在散热器上时,还应注意避免安装受力不均匀,因此使用平面度为１５０μｍ的散热器。为了达到有效地把热量传导到外部散热器,在传热界面要选择使用在工作温度内性能稳定并且在装置寿命期内性能不发生变化的导热硅脂。
4系统保护
由于实际的功率电路线路中总有寄生漏电感,当ＩＧＢＴ被关断时,感性负载中的电流不可能立刻发生变化,该负载电感两端产生阻止母线电流减少的电压Ｖ（Ｖ＝Ｌｄｉ／ｄｔ）。它与电源电压相迭加并以浪涌电压的形式加在ＩＧＢＴ的两端。在极端情况下,该浪涌电压会超过ＩＧＢＴ的额定值Ｖｃｅｓ并导致它损坏。在ＩＧＢＴ功率回路中引起浪涌电压的能量与１／２ＬｐＩ２成比例,Ｌｐ是母线的寄生电感,Ｉ是工作电流。由此可见,在使用大电流的器件时更加需要降低功率回路的电感。因此为了得到一种适合大电流工作的低母线电感电路,就需要特殊的母线结构。有交错镀铜层和绝缘层构层的迭层母线设计,可以使电感量降低。迭层母线中被绝缘层隔离的宽板用于正极和负极母线的连接,这种宽板起到了防止功率回路中寄生电感的作用。
其次,好的缓冲电路可以有效控制浪涌电压的关断和用续流二极管恢复浪涌电压,用以减少功率器件的开关损耗。ＩＧＢＴ缓冲电路与传统的双极晶体管缓冲电路存在两个方面的区别：一是ＩＧＢＴ具有强大的开关工作区,缓冲电路只需控制瞬态电压而不需要保护就可以抑制伴生达林顿晶体管的二次击穿超限;二是ＩＧＢＴ常工作在比达林顿高得多的频率范围。三种ＩＧＢＴ缓冲电路如图３所示。
缓冲电路“Ｂ”使用快恢复二极管可箝住瞬变电压,从而抑制振荡的发生。缓冲电路“Ｂ”的ＲＣ时间常数,应该设为该开关周期的约１／３（τ＝Ｔ／３＝１／３ｆ）。但对于大功率级别的ＩＧＢＴ工作,缓冲电路“Ｂ”的回路寄生电感将变得很大,以至不能有效地控制瞬变电压。由于大功率ＩＧＢＴ电路需要极低电感量的缓冲电路,而且缓冲电路必须尽可能地联到ＩＧＢＴ上,设计缓冲电路时,得考虑二极管封装内的寄生电感和缓冲电容引线的寄生电感。通常,小电容并联或二极管并联产生的电感量比大的单电容或单二极管产生的电感量更低。
ＩＧＢＴ在运行中会有导通功耗与开关功耗发生。这些功耗通常表现为热,所以必须采用散热器把这些热量从功率芯片传导到外部环境中去。如热系统设计不当,功率器件将过热并导致损坏。导通损耗伴随ＩＧＢＴ处于通态并传导电流而发生。导通期间的总功耗是由通态饱和电压与通态电流的乘积来计算的。在ＰＷＭ的应用中,导通损耗须与占空比因子相乘,从而得到平均功率。导通损耗的一次近似可通过ＩＧＢＴ的额定ＶＣＥ（ｓａｔ）值与期待的器件平均电流值的乘积来得到,即ＰＳＳ＝ＶＣＥｓａｔ ×Ｉｃ。开关损耗是在ＩＧＢＴ开通与关断过渡过程期间的功率损耗。当ＰＷＭ信号频率高于５ｋＨｚ时,开关损耗会非常显著,一定要在热设计中予以考虑。得到开关损耗的最精确的方法是测量在开关过渡过程中Ｉｃ与Ｖｃｅ的波形。将此波形逐点相乘,从而得到功率的瞬时波形,此功率波形下面的面积就是以焦耳／脉冲为单位的开关能量,这一面积通常通过作图积分来计算。总开关能量是开通与关断过程所耗能量之和,平均开关损耗是由单脉冲总开关能量[１]与ＰＷＭ频率相乘得到,即：平均开关功耗ＰＳＷ＝ｆＰＷＭ×[ＥＳＷ(ｏｎ)＋ＥＳＷ(ｏｆｆ)]。而总功耗为导通功耗与开关功耗之和,即ＰＣ＝ＰＳＳ＋ＰＳＷ。此放电系统也将利用该公式来估算ＩＧＢＴ器件的平均功耗。
5 ＰＣＢ的总体可靠性设计
良好的电路布局是保证设备和电路安全运行及长寿命的重要前提,同时工艺限制也对ＰＣＢ提出了严格的要求,应遵循以下几条原则：
·ＰＣＢ可靠性设计应做到系统集成化、专业化设计。总体考虑电源地线布置、去耦与排线设计。区域分配应注意模拟电路、数字电路、功率器件的布局[２]。
·可靠的电源、地线设计应做到模拟、数字的分别供电,减少地线公共阻抗,防止形成地线回路,同时保证一点接地以及电源入口的去耦设计。
该自动恒流放电模块可配合智能蓄电池组监测系统使用,当放电时放电电流连续可调,此时智能蓄电池组监测系统将监测每节电池的电压变化,当有任一节电池电压低于设定值时（或交流停电）,放电自动停止,显示放电时间,并予以记录。该模块也可单独使用,当放电时放电电流连续可调,此时需人工监测每节电池的电压,控制放电模块停止放电。本设备使用简单,安全可靠,恒流精度高,可广泛应用于需要对蓄电池或电源进行恒流负载放电的场合。
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