IGBT在不間斷電源中的應用

    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易于驅動，控制簡單、開關頻率高的優點，又有功率晶體管的導通電壓低，通態電流大的優點、使用IGBT成為UPS功率設計的首選，只有對IGBT的特性充分了解和對電路進行可靠性設計，才能發揮IGBT的優點。本文介紹UPS中的IGBT的應用情況和使用中的注意事項。

    2.IGBT在UPS中的應用情況

    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。它既有功率MOSFET易于驅動，控制簡單、開關頻率高的優點，又有功率晶體管的導通電壓低，通態電流大，損耗小的顯著優點。據東芝公司資料，1200V/100A的IGBT的導通電阻是同一耐壓規格的功率MOSFET的1/10，而開關時間是同規格GTR的1/10。由于這些優點，IGBT廣泛應用于不間斷電源系統(UPS)的設計中。這種使用IGBT的在線式UPS具有效率高，抗沖擊能力強、可靠性高的顯著優點。

    UPS主要有后備式、在線互動式和在線式三種結構。在線式UPS以其可靠性高，輸出電壓穩定，無中斷時間等顯著優點，廣泛用于通信系統、稅務、金融、證券、電力、鐵路、民航、政府機關的機房中。本文以在線式為介紹對象，介紹UPS中的IGBT的應用。

    在線式UPS電源具有獨立的旁路開關、AC/DC整流器、充電器、DC/AC逆變器等系統，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DC/AC逆變器將直流電逆變為標準正弦波交流電，市電異常時，電池對逆變器供電，在UPS發生故障時將輸出轉為旁路供電。在線式UPS輸出的電壓和頻率最為穩定，能為用戶提供真正高質量的正弦波電源。

    ①旁路開關(ACBYPASSSWITCH)

    旁路開關常使用繼電器和可控硅。繼電器在中小功率的UPS中廣泛應用。優點是控制簡單，成本低，缺點是繼電器有轉換時間，還有就是機電器件的壽命問題。可控硅常見于中大功率UPS中。優點是控制電流大，沒有切換時間。但缺點就是控制復雜，且由于可控硅的觸發工作特性，在觸發導通后要在反向偏置后才能關斷，這樣就會產生一個最大10ms的環流電流。如果采用IGBT，則可以避免這個問題，使用IGBT有控制簡單的優點，但成本較高。其工作原理為：當輸入為正半周時，電流流經Q1、D2，負半周時電流流經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高頻功率因數校正的整流器。傳統的整流器由于基頻為50HZ，濾波器的體積重量較重，隨著UPS技術的發展和各國對電源輸入功率因數要求，采用PFC功率因數校正的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達到0.99，PFC電路中常用IGBT作為功率器件，應用IGBT的PFC整流器是有效率高、功率容量大、綠色環保的優點。

    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。

    3.IGBT損壞的原因 

    UPS在使用過程中，經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：

    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復合器件內有一個寄生晶閘管，所以有擎住效應。圖5為一個IGBT的等效電路，在規定的漏極電流范圍內，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，于是寄生晶閘管開通，門極失去了控制作用，便發生了擎住效應。IGBT發生擎住效應后，漏極電流過大造成了過高的功耗，最后導致器件的損壞。

    ②過電壓損壞;

    IGBT在關斷時，由于逆變電路中存在電感成分，關斷瞬間產生尖峰電壓，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發生擎住效應而損壞，電路設計中應保證IGBT的最大工作電流應不超過IGBT的IDM值，同時注意可適當加大驅動電阻RG的辦法延長關斷時間，減小IGBT的di/dt。驅動電壓的大小也會影響IGBT的擎住效應，驅動電壓低，承受過電流時間長，IGBT必須加負偏壓，IGBT生產廠家一般推薦加-5V左右的反偏電壓。在有負偏壓情況下，驅動正電壓在10—15V之間，漏極電流可在5～10μs內超過額定電流的4～10倍，所以驅動IGBT必須設計負偏壓。由于UPS負載沖擊特性各不相同，且供電的設備可能發生電源故障短路，所以在UPS設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發生過電流，內部電路進行關閉驅動。這種辦法有時還是不能保護IGBT，根據IR公司的資料，IR公司推薦的短路保護方法是：首先檢測通態壓降Vce，如果Vce超過設定值，保護電路馬上將驅動電壓降為8V，于是IGBT由飽和狀態轉入放大區，通態電阻增大，短路電路減削，經過4us連續檢測通態壓降Vce，如果正常，將驅動電壓恢復正常，如果未恢復，將驅動關閉，使集電極電流減為零，這樣實現短路電流軟關斷，可以避免快速關斷造成的過大di/dt損壞IGBT，另外根據最新三菱公司IGBT資料，三菱推出的F系列IGBT的均內含過流限流電路(RTCcircuit)，如圖6，當發生過電流，10us內將IGBT的啟動電壓減為9V，配合M57160AL驅動厚膜電路可以快速軟關斷保護IGBT。

    ②過電壓損壞

    防止過電壓損壞方法有：優化主電路的工藝結構，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驅動電阻Rg使開關速度減慢(但開關損耗也增加了);設計緩沖電路，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，詳細電路設計可參見所選用器件的技術手冊。

    ③橋臂共導損壞

    在UPS中，逆變橋同臂支路兩個驅動必須是互鎖的，而且應該設置死區時間(即共同不導通時間)。如果發生共導，IGBT會迅速損壞。在控制電路應該考慮到各種運行狀況下的驅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，涂敷導熱膠，強制風扇制冷，設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.結論

    ①IGBT兼具有功率MOSFET和GTR的優點，是UPS中的充電、旁路開關、逆變器，整流器等功率變換的理想器件。

    ②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。■