IGBT在不间断电源中的应用

1.引言

在UPS中使用的功率器件有双极型功率晶体管、功率MOSFET、可控硅和IGBT，IGBT既有功率MOSFET易于驱动，控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通电压低，通态电流大的优点、使用IGBT成为UPS功率设计的首选，只有对IGBT的特性充分了解和对电路进行可靠性设计，才能发挥IGBT的优点。本文介绍UPS中的IGBT的应用情况和使用中的注意事项。

2.IGBT在UPS中的应用情况

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种MOSFET与双极晶体管复合的器件。它既有功率MOSFET易于驱动，控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通电压低，通态电流大，损耗小的显著优点。据东芝公司资料，1200V/100A的IGBT的导通电阻是同一耐压规格的功率MOSFET的1/10，而开关时间是同规格GTR的1/10。由于这些优点，IGBT广泛应用于不间断电源系统(UPS)的设计中。这种使用IGBT的在线式UPS具有效率高，抗冲击能力强、可靠性高的显著优点。

UPS主要有后备式、在线互动式和在线式三种结构。在线式UPS以其可靠性高，输出电压稳定，无中断时间等显著优点，广泛用于通信系统、税务、金融、证券、电力、铁路、民航、政府机关的机房中。本文以在线式为介绍对象，介绍UPS中的IGBT的应用。

在线式UPS电源具有独立的旁路开关、AC/DC整流器、充电器、DC/AC逆变器等系统，工作原理是：市电正常时AC/DC整流器将交流电整流成直流电，同时对蓄电池进行充电，再经DC/AC逆变器将直流电逆变为标准正弦波交流电，市电异常时，电池对逆变器供电，在UPS发生故障时将输出转为旁路供电。在线式UPS输出的电压和频率最为稳定，能为用户提供真正高质量的正弦波电源。

①旁路开关(ACBYPASSSWITCH)

旁路开关常使用继电器和可控硅。继电器在中小功率的UPS中广泛应用。优点是控制简单，成本低，缺点是继电器有转换时间，还有就是机电器件的寿命问题。可控硅常见于中大功率UPS中。优点是控制电流大，没有切换时间。但缺点就是控制复杂，且由于可控硅的触发工作特性，在触发导通后要在反向偏置后才能关断，这样就会产生一个最大10ms的环流电流。如果采用IGBT，则可以避免这个问题，使用IGBT有控制简单的优点，但成本较高。其工作原理为：当输入为正半周时，电流流经Q1、D2，负半周时电流流经D1、Q2。

②整流器AC/DC

UPS整流电路分为普通桥堆整流、SCR相控整流和PFC高频功率因数校正的整流器。传统的整流器由于基频为50HZ，滤波器的体积重量较重，随着UPS技术的发展和各国对电源输入功率因数要求，采用PFC功率因数校正的UPS日益普及，PFC电路工作的基频至少20KHZ，使用的滤波器电感和滤波电容的体积重量大大减少，不必加谐波滤波器就可使输入功率因数达到0.99，PFC电路中常用IGBT作为功率器件，应用IGBT的PFC整流器是有效率高、功率容量大、绿色环保的优点。

③充电器

UPS的充电器常用的有反激式、BOOST升压式和半桥式。大电流充电器中可采用单管IGBT，用于功率控制，可以取得很高的效率和较大的充电电流。

④DC/AC逆变器

3KVA以上功率的在线式UPS几乎全部采用IGBT作为逆变部分的功率器件，常用全桥式电路和半桥电路。

3.IGBT损坏的原因

UPS在使用过程中，经常受到容性或感性负载的冲击、过负荷甚至负载短路等，以及UPS的误操作，可能导致IGBT损坏。IGBT在使用时的损坏原因主要有以下几种情况：

①过电流损坏;

IGBT有一定抗过电流能力，但必须注意防止过电流损坏。IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管，所以有擎住效应。图5为一个IGBT的等效电路，在规定的漏极电流范围内，NPN的正偏压不足以使NPN晶体管导通，当漏极电流大到一定程度时，这个正偏压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，门极失去了控制作用，便发生了擎住效应。IGBT发生擎住效应后，漏极电流过大造成了过高的功耗，最后导致器件的损坏。

②过电压损坏;

IGBT在关断时，由于逆变电路中存在电感成分，关断瞬间产生尖峰电压，如果尖峰电压过压则可能造成IGBT击穿损坏。

③桥臂共导损坏;

④过热损坏和静电损坏。

4.IGBT损坏的解决对策

①过电流损坏

为了避免IGBT发生擎住效应而损坏，电路设计中应保证IGBT的最大工作电流应不超过IGBT的IDM值，同时注意可适当加大驱动电阻RG的办法延长关断时间，减小IGBT的di/dt。驱动电压的大小也会影响IGBT的擎住效应，驱动电压低，承受过电流时间长，IGBT必须加负偏压，IGBT生产厂家一般推荐加-5V左右的反偏电压。在有负偏压情况下，驱动正电压在10—15V之间，漏极电流可在5～10μs内超过额定电流的4～10倍，所以驱动IGBT必须设计负偏压。由于UPS负载冲击特性各不相同，且供电的设备可能发生电源故障短路，所以在UPS设计中采取限流措施进行IGBT的电流限制也是必须的，可考虑采用IGBT厂家提供的驱动厚膜电路。如FUJI公司的EXB841、EXB840，三菱公司的M57959AL，57962CL，它们对IGBT的集电极电压进行检测，如果IGBT发生过电流，内部电路进行关闭驱动。这种办法有时还是不能保护IGBT，根据IR公司的资料，IR公司推荐的短路保护方法是：首先检测通态压降Vce，如果Vce超过设定值，保护电路马上将驱动电压降为8V，于是IGBT由饱和状态转入放大区，通态电阻增大，短路电路减削，经过4us连续检测通态压降Vce，如果正常，将驱动电压恢复正常，如果未恢复，将驱动关闭，使集电极电流减为零，这样实现短路电流软关断，可以避免快速关断造成的过大di/dt损坏IGBT，另外根据最新三菱公司IGBT资料，三菱推出的F系列IGBT的均内含过流限流电路(RTCcircuit)，如图6，当发生过电流，10us内将IGBT的启动电压减为9V，配合M57160AL驱动厚膜电路可以快速软关断保护IGBT。

②过电压损坏

防止过电压损坏方法有：优化主电路的工艺结构，通过缩小大电流回路的路径来减小线路寄生电感;适当增加IGBT驱动电阻Rg使开关速度减慢(但开关损耗也增加了);设计缓冲电路，对尖峰电压进行抑制。用于缓冲电路中的二极管必须是快恢复的二极管，电容必须是高频、损耗小，频率特性好的薄膜电容。这样才能取得好的吸收效果。常见电路有耗能式和回馈式缓冲电路。回馈式又有无源式和有源式两种，详细电路设计可参见所选用器件的技术手册。

③桥臂共导损坏

在UPS中，逆变桥同臂支路两个驱动必须是互锁的，而且应该设置死区时间(即共同不导通时间)。如果发生共导，IGBT会迅速损坏。在控制电路应该考虑到各种运行状况下的驱动问题控制时序问题。

④过热损坏

可通过降额使用，加大散热器，涂敷导热胶，强制风扇制冷，设置过温度保护等方法来解决过热损坏的问题。此外还要注意安装过程中的静电损坏问题，操作人员、工具必须进行防静电保护。

5.结论

①IGBT兼具有功率MOSFET和GTR的优点，是UPS中的充电、旁路开关、逆变器，整流器等功率变换的理想器件。

②只有合理运用IGBT，并采取有效的保护方案，才可能提高IGBT在UPS中的可靠性。■