功率器件IGBT在不間斷電源（UPS）中的應(yīng)用

1. 引言
　　
在UPS 中使用的功率器件有雙極型功率晶體管、功率MOSFET、可控硅和IGBT，IGBT 既有功率MOSFET 易于驅(qū)動，控制簡單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點，又有功率晶體管的導通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點、使用IGBT 成為UPS 功率設(shè)計的首選，只有對IGBT的特性充分了解和對電路進行可靠性設(shè)計，才能發(fā)揮IGBT 的優(yōu)點。本文介紹UPS 中的IGBT 的應(yīng)用情況和使用中的注意事項。

2. IGBT 在UPS 中的應(yīng)用情況
　　
絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種MOSFET 與雙極晶體管復合的器件。據(jù)東芝公司資料，1200V/100A 的IGBT 的導通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率MOSFET 的1/10，而開關(guān)時間是同規(guī)格GTR 的1/10。由于這些優(yōu)點，IGBT廣泛應(yīng)用于不間斷電源系統(tǒng)（UPS）的設(shè)計中。這種使用IGBT 的在線式UPS 具有效率高，抗沖擊能力強、可靠性高的顯著優(yōu)點。
　　
UPS 主要有后備式、在線互動式和在線式三種結(jié)構(gòu)。在線式UPS 以其可靠性高，輸出電壓穩(wěn)定，無中斷時間等顯著優(yōu)點，廣泛用于通信系統(tǒng)、稅務(wù)、金融、證券、電力、鐵路、民航、政府機關(guān)的機房中。本文以在線式為介紹對象，介紹UPS 中的IGBT 的應(yīng)用。
　　
圖1 為在線式UPS 的主電路，在線式UPS 電源具有獨立的旁路開關(guān)、AC/DC 整流器、充電器、DC/AC 逆變器等系統(tǒng)，工作原理是：市電正常時AC/DC 整流器將交流電整流成直流電，同時對蓄電池進行充電，再經(jīng)DC/AC 逆變器將直流電逆變?yōu)闃藴收也ń涣麟?，市電異常時，電池對逆變器供電，在UPS 發(fā)生故障時將輸出轉(zhuǎn)為旁路供電。在線式UPS輸出的電壓和頻率最為穩(wěn)定，能為用戶提供真正高質(zhì)量的正弦波電源。

圖1 在線式不間斷電源主電路圖

 
①旁路開關(guān)（AC BYPASS SWITCH）
　　
旁路開關(guān)常使用繼電器和可控硅。繼電器在中小功率的UPS 中廣泛應(yīng)用。優(yōu)點是控制簡單，成本低，缺點是繼電器有轉(zhuǎn)換時間，還有就是機電器件的壽命問題?？煽毓璩Ｒ娪谥写蠊β蔝PS 中。優(yōu)點是控制電流大，沒有切換時間。但缺點就是控制復雜，且由于可控硅的觸發(fā)工作特性，在觸發(fā)導通后要在反向偏置后才能關(guān)斷，這樣就會產(chǎn)生一個最大10ms 的環(huán)流電流，如圖2。如果采用IGBT，如圖3，則可以避免這個問題，使用IGBT 有控制簡單的優(yōu)點，但成本較高。其工作原理為：當輸入為正半周時，電流流經(jīng)Q1、D2，負半周時電流流經(jīng)D1、Q2。

圖2：SCR 的延時關(guān)斷現(xiàn)象圖

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圖3：應(yīng)用IGBT 的旁路開關(guān)

 
②整流器AC/DC
　　
UPS 整流電路分為普通橋堆整流、SCR 相控整流和PFC 高頻功率因數(shù)校正的整流器。傳統(tǒng)的整流器由于基頻為50HZ，濾波器的體積重量較重，隨著UPS 技術(shù)的發(fā)展和各國對電源輸入功率因數(shù)要求，采用PFC 功率因數(shù)校正的UPS 日益普及，PFC 電路工作的基頻至少20KHZ，使用的濾波器電感和濾波電容的體積重量大大減少，不必加諧波濾波器就可使輸入功率因數(shù)達到0.99，PFC 電路中常用IGBT 作為功率器件，應(yīng)用IGBT 的PFC 整流器是有效率高、功率容量大、綠色環(huán)保的優(yōu)點。

③充電器
　　
UPS 的充電器常用的有反激式、BOOST 升壓式和半橋式。大電流充電器中可采用單管IGBT，用于功率控制，可以取得很高的效率和較大的充電電流。

④DC/AC 逆變器
　　
3KVA 以上功率的在線式UPS 幾乎全部采用IGBT 作為逆變部分的功率器件，常用全橋式電路和半橋電路，如下圖4。

3. IGBT 損壞的原因
　　
UPS 在使用過程中，經(jīng)常受到容性或感性負載的沖擊、過負荷甚至負載短路等，以及UPS 的誤操作，可能導致IGBT 損壞。IGBT 在使用時的損壞原因主要有以下幾種情況：

過電流損壞；
　　
IGBT 有一定抗過電流能力，但必須注意防止過電流損壞。IGBT 復合器件內(nèi)有一個寄生晶閘管，所以有擎住效應(yīng)。圖5 為一個IGBT 的等效電路，在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，NPN 的正偏壓不足以使NPN 晶體管導通，當漏極電流大到一定程度時，這個正偏壓足以使NPN 晶體管開通，進而使NPN 和PNP 晶體管處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶閘管開通，門極失去了控制作用，便發(fā)生了擎住效應(yīng)。IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后，漏極電流過大造成了過高的功耗，最后導致器件的損壞。

過電壓損壞；

IGBT 在關(guān)斷時，由于逆變電路中存在電感成分，關(guān)斷瞬間產(chǎn)生尖峰電壓，如果尖峰電壓過壓則可能造成IGBT 擊穿損壞。

橋臂共導損壞；

過熱損壞和靜電損壞。

4. IGBT 損壞的解決對策

過電流損壞
　　
為了避免IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)而損壞，電路設(shè)計中應(yīng)保證IGBT 的最大工作電流應(yīng)不超過IGBT 的IDM 值，同時注意可適當加大驅(qū)動電阻RG 的辦法延長關(guān)斷時間，減小IGBT 的di/dt。驅(qū)動電壓的大小也會影響IGBT 的擎住效應(yīng)，驅(qū)動電壓低，承受過電流時間長，IGBT 必須加負偏壓，IGBT 生產(chǎn)廠家一般推薦加-5V 左右的反偏電壓。在有負偏壓情況下，驅(qū)動正電壓在10—15V 之間，漏極電流可在5～10μs 內(nèi)超過額定電流的4～10 倍，所以驅(qū)動IGBT 必須設(shè)計負偏壓。由于UPS 負載沖擊特性各不相同，且供電的設(shè)備可能發(fā)生電源故障短路，所以在UPS 設(shè)計中采取限流措施進行IGBT的電流限制也是必須的，可考慮采用IGBT 廠家提供的驅(qū)動厚膜電路。如FUJI 公司的EXB841、EXB840，三菱公司的M57959AL，57962CL，它們對IGBT 的集電極電壓進行檢測，如果IGBT 發(fā)生過電流，內(nèi)部電路進行關(guān)閉驅(qū)動。[!--empirenews.page--]
　　
這種辦法有時還是不能保護IGBT，根據(jù)IR 公司的資料，IR 公司推薦的短路保護方法是：首先檢測通態(tài)壓降Vce，如果Vce 超過設(shè)定值，保護電路馬上將驅(qū)動電壓降為8V，于是IGBT 由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)入放大區(qū)，通態(tài)電阻增大，短路電路減削，經(jīng)過4us 連續(xù)檢測通態(tài)壓降Vce，如果正常，將驅(qū)動電壓恢復正常，如果未恢復，將驅(qū)動關(guān)閉，使集電極電流減為零，這樣實現(xiàn)短路電流軟關(guān)斷，可以避免快速關(guān)斷造成的過大di/dt 損壞IGBT，另外根據(jù)最新三菱公司IGBT 資料，三菱推出的F 系列IGBT 的均內(nèi)含過流限流電路（RTC circuit），如圖6，當發(fā)生過電流，10us 內(nèi)將IGBT 的啟動電壓減為9V，配合M57160AL 驅(qū)動厚膜電路可以快速軟關(guān)斷保護IGBT。

圖5：IGBT 等效電路圖

圖6 三菱F 系列IGBT 的RCT 電路

 
過電壓損壞
　　
防止過電壓損壞方法有：優(yōu)化主電路的工藝結(jié)構(gòu)，通過縮小大電流回路的路徑來減小線路寄生電感；適當增加IGBT 驅(qū)動電阻Rg 使開關(guān)速度減慢（但開關(guān)損耗也增加了）；設(shè)計緩沖電路，對尖峰電壓進行抑制。用于緩沖電路中的二極管必須是快恢復的二極管，電容必須是高頻、損耗小，頻率特性好的薄膜電容。這樣才能取得好的吸收效果。常見電路有耗能式和回饋式緩沖電路。回饋式又有無源式和有源式兩種，詳細電路設(shè)計可參見所選用器件的技術(shù)手冊。

橋臂共導損壞
　　
在UPS 中，逆變橋同臂支路兩個驅(qū)動必須是互鎖的，而且應(yīng)該設(shè)置死區(qū)時間（即共同不導通時間）。如果發(fā)生共導，IGBT 會迅速損壞。在控制電路應(yīng)該考慮到各種運行狀況下的驅(qū)動問題控制時序問題。

過熱損壞
　　
可通過降額使用，加大散熱器，涂敷導熱膠，強制風扇制冷，設(shè)置過溫度保護等方法來解決過熱損壞的問題。

此外還要注意安裝過程中的靜電損壞問題，操作人員、工具必須進行防靜電保護。

5. 結(jié)論
　　
IGBT 兼具有功率MOSFET 和GTR 的優(yōu)點，是UPS 中的充電、旁路開關(guān)、逆變器，整流器等功率變換的理想器件。

只有合理運用IGBT，并采取有效的保護方案，才可能提高IGBT 在UPS 中的可靠性。