功率器件IGBT在不间断电源（UPS）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。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、可靠性高的显着优点。
　　
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，无中断时间等显着优点，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。
　　
图1 为在线式UPS 的主电路，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。
   
   图1 在线式不间断电源主电路图
   
  
①旁路开关（AC BYPASS SWITCH）
　　
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，如图2。如果采用IGBT，如图3，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。
   
   
   图2：SCR 的延时关断现象图
   
   
图3：应用IGBT 的旁路开关
   
  
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，如下图4。
   
   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：
   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。
   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。
   桥臂共导损坏；
   过热损坏和静电损坏。
   4. IGBT 损坏的解决对策
   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（RTC circuit），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。
   
   
图5：IGBT 等效电路图
   
   
   图6 三菱F 系列IGBT 的RCT 电路
   
  
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。
   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。
   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
　　
IGBT 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。
   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。