鉅大LARGE | 點擊量：1547次 | 2020年06月18日
不間斷電源中的IGBT應用總結
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(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功率設計的首選。關鍵詞：不間斷電源IGBTUpS1.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(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(fā)揮IGBT的優(yōu)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。據東芝公司資料，1200V/100A的IGBT的導通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率MOSFET的1/10，而開關時間是同規(guī)格GTR的1/10。由于這些優(yōu)點，IGBT廣泛應用于不間斷電源系統(tǒng)（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(yōu)點。
UpS重要有后備式、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(wěn)定，無中斷時間等顯著優(yōu)點，廣泛用于通信系統(tǒng)、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。
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、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，能為用戶供應真正高質量的正弦波電源。
圖1在線式不間斷電源主電路圖
①旁路開關（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(yōu)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?？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斷，這樣就會出現(xiàn)一個最大10ms的環(huán)流電流，如圖2。假如采用IGBT，如圖3，則可以防止這個問題，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Q1、D2，負半周時電流流經D1、Q2。
圖2：SCR的延時關斷現(xiàn)象圖
圖3：應用IGBT的旁路開關
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重要有以下幾種情況：
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(guī)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(tài)，于是寄生晶閘管開通，門極失去了控制用途，便發(fā)生了擎住效應。IGBT發(fā)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。
過電壓損壞；
IGBT在關斷時，由于逆變電路中存在電感成分，關斷瞬間出現(xiàn)尖峰電壓，假如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
為了防止IGBT發(fā)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(fā)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廠家供應的驅動厚膜電路。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，假如IGBT發(fā)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(tài)壓降Vce，假如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(tài)轉入放大區(qū)，通態(tài)電阻增大，短路電路減削，經過4us持續(xù)檢測通態(tài)壓降Vce，假如正常，將驅動電壓恢復正常，假如未恢復，將驅動關閉，使集電極電流減為零，這樣實現(xiàn)短路電流軟關斷，可以防止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(fā)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。
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)化主電路的工藝結構，通過縮小大電流回路的路徑來減小線路寄生電感；適當新增IGBT驅動電阻Rg使開關速度減慢（但開關損耗也新增了）；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
下一篇：教你如何選擇電源濾波器
