IGBT在不間斷電源中的應(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(diǎn)，又有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點(diǎn)、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(jìn)行可靠性設(shè)計，才能發(fā)揮IGBT的優(yōu)點(diǎn)。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(fù)合的器件。它既有功率MOSFET易于驅(qū)動，控制簡單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大，損耗小的顯著優(yōu)點(diǎn)。據(jù)東芝公司資料，1200V/100A的IGBT的導(dǎo)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(diǎn)，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(qiáng)、可靠性高的顯著優(yōu)點(diǎn)。

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(diǎn)，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(jī)關(guān)的機(jī)房中。本文以在線式為介紹對象，介紹UPS中的IGBT的應(yīng)用。

在線式UPS電源具有獨(dú)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(jìn)行充電，再經(jīng)DC/AC逆變器將直流電逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)正弦波交流電，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。

①旁路開關(guān)(ACBYPASSSWITCH)

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(diǎn)是控制簡單，成本低，缺點(diǎn)是繼電器有轉(zhuǎn)換時間，還有就是機(jī)電器件的壽命問題?？煽毓璩Ｒ娪谥写蠊β蔝PS中。優(yōu)點(diǎn)是控制電流大，沒有切換時間。但缺點(diǎn)就是控制復(fù)雜，且由于可控硅的觸發(fā)工作特性，在觸發(fā)導(dǎo)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。如果采用IGBT，則可以避免這個問題，使用IGBT有控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。其工作原理為：當(dāng)輸入為正半周時，電流流經(jīng)Q1、D2，負(fù)半周時電流流經(jīng)D1、Q2。

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(dá)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(diǎn)。

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。

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(fù)載的沖擊、過負(fù)荷甚至負(fù)載短路等，以及UPS的誤操作，可能導(dǎo)致IGBT損壞。IGBT在使用時的損壞原因主要有以下幾種情況：

①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(fù)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(dǎo)通，當(dāng)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(jìn)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(dǎo)致器件的損壞。

②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。

③橋臂共導(dǎo)損壞;

④過熱損壞和靜電損壞。

4.IGBT損壞的解決對策

①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(dāng)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(fù)偏壓，IGBT生產(chǎn)廠家一般推薦加-5V左右的反偏電壓。在有負(fù)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(fù)偏壓。由于UPS負(fù)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(jìn)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(jìn)行檢測，如果IGBT發(fā)生過電流，內(nèi)部電路進(jìn)行關(guān)閉驅(qū)動。這種辦法有時還是不能保護(hù)IGBT，根據(jù)IR公司的資料，IR公司推薦的短路保護(hù)方法是：首先檢測通態(tài)壓降Vce，如果Vce超過設(shè)定值，保護(hù)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(fù)正常，如果未恢復(fù)，將驅(qū)動關(guān)閉，使集電極電流減為零，這樣實(shí)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(RTCcircuit)，如圖6，當(dāng)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(hù)IGBT。

②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(dāng)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(jìn)行抑制。用于緩沖電路中的二極管必須是快恢復(fù)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(xì)電路設(shè)計可參見所選用器件的技術(shù)手冊。

③橋臂共導(dǎo)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(dǎo)通時間)。如果發(fā)生共導(dǎo)，IGBT會迅速損壞。在控制電路應(yīng)該考慮到各種運(yùn)行狀況下的驅(qū)動問題控制時序問題。

④過熱損壞

可通過降額使用，加大散熱器，涂敷導(dǎo)熱膠，強(qiáng)制風(fēng)扇制冷，設(shè)置過溫度保護(hù)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(jìn)行防靜電保護(hù)。

5.結(jié)論

①IGBT兼具有功率MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，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。

②只有合理運(yùn)用IGBT，并采取有效的保護(hù)方案，才可能提高IGBT在UPS中的可靠性。■