鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2020年06月18日
不間斷電源中的IGBT應(yīng)用總結(jié)
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，控制簡單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點，又有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點、使用IGBT成為UpS功率設(shè)計的首選。關(guān)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(qū)動，控制簡單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點，又有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點、使用IGBT成為UpS功率設(shè)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(shè)計，才能發(fā)揮IGBT的優(yōu)點。本文介紹UpS中的IGBT的應(yīng)用情況和使用中的注意事項。
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，而開關(guān)時間是同規(guī)格GTR的1/10。由于這些優(yōu)點，IGBT廣泛應(yīng)用于不間斷電源系統(tǒng)（UpS）的設(shè)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(jié)構(gòu)。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(wù)、金融、證券、電力、鐵路、民航、政府機關(guān)的機房中。本文以在線式為介紹對象，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電源具有獨立的旁路開關(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(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，電池對逆變器供電，在UpS發(fā)生故障時將輸出轉(zhuǎn)為旁路供電。在線式UpS輸出的電壓和頻率最為穩(wěn)定，能為用戶供應(yīng)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旁路開關(guān)（ACBYpASSSWITCH）
旁路開關(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)點是控制簡單，成本低，缺點是繼電器有轉(zhuǎn)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(yōu)點是控制電流大，沒有切換時間。但缺點就是控制復(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(dāng)輸入為正半周時，電流流經(jīng)Q1、D2，負半周時電流流經(jīng)D1、Q2。
圖2：SCR的延時關(guān)斷現(xiàn)象圖
圖3：應(yīng)用IGBT的旁路開關(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(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。
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(jīng)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(dǎo)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(fù)合器件內(nèi)有一個寄生晶閘管，所以有擎住效應(yīng)。圖5為一個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，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(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，漏極電流過大造成了過高的功耗，最后導(dǎo)致器件的損壞。
過電壓損壞；
IGBT在關(guān)斷時，由于逆變電路中存在電感成分，關(guān)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(dǎo)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(yīng)而損壞，電路設(shè)計中應(yīng)保證IGBT的最大工作電流應(yīng)不超過IGBT的IDM值，同時注意可適當(dāng)加大驅(qū)動電阻RG的辦法延長關(guān)斷時間，減小IGBT的di/dt。驅(qū)動電壓的大小也會影響IGBT的擎住效應(yīng)，驅(qū)動電壓低，承受過電流時間長，IGBT必須加負偏壓，IGBT生產(chǎn)廠家一般推薦加-5V左右的反偏電壓。在有負偏壓情況下，驅(qū)動正電壓在10—15V之間，漏極電流可在5～10μs內(nèi)超過額定電流的4～10倍，所以驅(qū)動IGBT必須設(shè)計負偏壓。由于UpS負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(yīng)的驅(qū)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(nèi)部電路進行關(guān)閉驅(qū)動。
這種辦法有時還是不能保護IGBT，根據(jù)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(shè)定值，保護電路馬上將驅(qū)動電壓降為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4us持續(xù)檢測通態(tài)壓降Vce，假如正常，將驅(qū)動電壓恢復(fù)正常，假如未恢復(fù)，將驅(qū)動關(guān)閉，使集電極電流減為零，這樣實現(xiàn)短路電流軟關(guān)斷，可以防止快速關(guān)斷造成的過大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)含過流限流電路（RTCcircuit），如圖6，當(dāng)發(fā)生過電流，10us內(nèi)將IGBT的啟動電壓減為9V，配合M57160AL驅(qū)動厚膜電路可以快速軟關(guān)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(jié)構(gòu)，通過縮小大電流回路的路徑來減小線路寄生電感；適當(dāng)新增IGBT驅(qū)動電阻Rg使開關(guān)速度減慢（但開關(guān)損耗也新增了）；設(shè)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(fù)的二極管，電容必須是高頻、損耗小，頻率
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