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(dòng)，控制簡(jiǎn)單、開(kāi)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(jì)的首選，只有對(duì)IGBT的特性充分了解和對(duì)電路進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，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(xiàng)。

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。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(kāi)關(guān)時(shí)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(jì)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(dòng)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(wú)中斷時(shí)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(duì)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(dú)立的旁路開(kāi)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(shí)AC/DC 整流器將交流電整流成直流電，同時(shí)對(duì)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(shí)，電池對(duì)逆變器供電，在UPS 發(fā)生故障時(shí)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(kāi)關(guān)（AC BYPASS SWITCH）

旁路開(kāi)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(jiǎn)單，成本低，缺點(diǎn)是繼電器有轉(zhuǎn)換時(shí)間，還有就是機(jī)電器件的壽命問(wèn)題?？煽毓璩Ｒ?jiàn)于中大功率UPS 中。優(yōu)點(diǎn)是控制電流大，沒(méi)有切換時(shí)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(gè)問(wèn)題，使用IGBT 有控制簡(jiǎn)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(shí)，電流流經(jīng)Q1、D2，負(fù)半周時(shí)電流流經(jīng)D1、Q2。

圖2：SCR 的延時(shí)關(guān)斷現(xiàn)象圖 圖3：應(yīng)用IGBT 的旁路開(kāi)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(guó)對(duì)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，如下圖4。

3. IGBT 損壞的原因

UPS 在使用過(guò)程中，經(jīng)常受到容性或感性負(fù)載的沖擊、過(guò)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(shí)的損壞原因主要有以下幾種情況：

1. 過(guò)電流損壞；
   IGBT 有一定抗過(guò)電流能力，但必須注意防止過(guò)電流損壞。IGBT 復(fù)合器件內(nèi)有一個(gè)寄生晶閘管，所以有擎住效應(yīng)。圖5 為一個(gè)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(shí)，這個(gè)正偏壓足以使NPN 晶體管開(kāi)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(kāi)通，門(mén)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(guò)大造成了過(guò)高的功耗，最后導(dǎo)致器件的損壞。
2. 過(guò)電壓損壞；
   IGBT 在關(guān)斷時(shí)，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(guò)壓則可能造成IGBT 擊穿損壞。
3. 橋臂共導(dǎo)損壞；
4. 過(guò)熱損壞和靜電損壞。

4. IGBT 損壞的解決對(duì)策

1. 過(guò)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(jì)中應(yīng)保證IGBT 的最大工作電流應(yīng)不超過(guò)IGBT 的IDM 值，同時(shí)注意可適當(dāng)加大驅(qū)動(dòng)電阻RG 的辦法延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間，減小IGBT 的di/dt。驅(qū)動(dòng)電壓的大小也會(huì)影響IGBT 的擎住效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電壓低，承受過(guò)電流時(shí)間長(zhǎng)，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(dòng)正電壓在10—15V 之間，漏極電流可在5～10μs 內(nèi)超過(guò)額定電流的4～10 倍，所以驅(qū)動(dòng)IGBT 必須設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)厚膜電路。如FUJI 公司的EXB841、EXB840，三菱公司的M57959AL，57962CL，它們對(duì)IGBT 的集電極電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果IGBT 發(fā)生過(guò)電流，內(nèi)部電路進(jìn)行關(guān)閉驅(qū)動(dòng)。
   這種辦法有時(shí)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(cè)通態(tài)壓降Vce，如果Vce 超過(guò)設(shè)定值，保護(hù)電路馬上將驅(qū)動(dòng)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(guò)4us 連續(xù)檢測(cè)通態(tài)壓降Vce，如果正常，將驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)正常，如果未恢復(fù)，將驅(qū)動(dòng)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(guò)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(guò)流限流電路（RTC circuit），如圖6，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流，10us 內(nèi)將IGBT 的啟動(dòng)電壓減為9V，配合M57160AL 驅(qū)動(dòng)厚膜電路可以快速軟關(guān)斷保護(hù)IGBT。
   
   圖5：IGBT 等效電路圖 圖6 三菱F 系列IGBT 的RCT 電路
2. 過(guò)電壓損壞
   防止過(guò)電壓損壞方法有：優(yōu)化主電路的工藝結(jié)構(gòu)，通過(guò)縮小大電流回路的路徑來(lái)減小線路寄生電感；適當(dāng)增加IGBT 驅(qū)動(dòng)電阻Rg 使開(kāi)關(guān)速度減慢（但開(kāi)關(guān)損耗也增加了）；設(shè)計(jì)緩沖電路，對(duì)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(jiàn)電路有耗能式和回饋式緩沖電路?；仞伿接钟袩o(wú)源式和有源式兩種，詳細(xì)電路設(shè)計(jì)可參見(jiàn)所選用器件的技術(shù)手冊(cè)。
3. 橋臂共導(dǎo)損壞
   在UPS 中，逆變橋同臂支路兩個(gè)驅(qū)動(dòng)必須是互鎖的，而且應(yīng)該設(shè)置死區(qū)時(shí)間（即共同不導(dǎo)通時(shí)間）。如果發(fā)生共導(dǎo)，IGBT 會(huì)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(dòng)問(wèn)題控制時(shí)序問(wèn)題。
4. 過(guò)熱損壞
   可通過(guò)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(guò)溫度保護(hù)等方法來(lái)解決過(guò)熱損壞的問(wèn)題。

此外還要注意安裝過(guò)程中的靜電損壞問(wèn)題，操作人員、工具必須進(jìn)行防靜電保護(hù)。

5. 結(jié)論

1. IGBT 兼具有功率MOSFET 和GTR 的優(yōu)點(diǎn)，是UPS 中的充電、旁路開(kāi)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。