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" title="IGBT">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。
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(jù)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" title="不間斷電源">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 主要有后備式,、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" title="DC/AC">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,，能為用戶提供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（AC BYPASS SWITCH）
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,，這樣就會產生一個最大 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(jīng)Q1、D2,，負半周時電流流經(jīng)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,。
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,，可能導致IGBT 損壞。IGBT 在使用時的損壞原因主要有以下幾種情況：
1. 過電流" title="過電流">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,，門極失去了控制作用，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,。
2. 過電壓損壞,；
IGBT 在關斷時，由于逆變電路中存在電感成分,，關斷瞬間產生尖峰電壓,，如果尖峰電壓過壓則可能造成IGBT 擊穿損壞。
3. 橋臂共導損壞,；
4. 過熱損壞和靜電損壞,。
IGBT 損壞的解決對策
1. 過電流損壞
為了避免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 廠家提供的驅動厚膜電路,。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,，如果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(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,，如果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(jīng)過4us 連續(xù)檢測通態(tài)壓降Vce,，如果正常,，將驅動電壓恢復正常，如果未恢復,，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,，可以避免快速關斷造成的過大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 的均內含過流限流電路（RTC circuit）,，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
2. 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,；適當增加IGBT 驅動電阻Rg 使開關速度減慢（但開關損耗也增加了）；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,，頻率特性好的薄膜電容。這樣才能取得好的吸收效果,。常見電路有耗能式和回饋式緩沖電路,。回饋式又有無源式和有源式兩種,，詳細電路設計可參見所選用器件的技術手冊,。
3. 橋臂共導損壞
在UPS 中,，逆變橋同臂支路兩個驅動必須是互鎖的，而且應該設置死區(qū)時間（即共同不導通時間）,。如果發(fā)生共導,，IGBT 會迅速損壞。在控制電路應該考慮到各種運行狀況下的驅動問題控制時序問題,。
4. 過熱損壞
可通過降額使用,，加大散熱器，涂敷導熱膠,，強制風扇制冷,，設置過溫度保護等方法來解決過熱損壞的問題。
此外還要注意安裝過程中的靜電損壞問題,，操作人員,、工具必須進行防靜電保護。
結論
1. IGBT 兼具有功率MOSFET 和GTR 的優(yōu)點,，是UPS 中的充電,、旁路開關、逆變器,，整流器等功率變換的理想器件,。
2. 只有合理運用IGBT，并采取有效的保護方案,，才可能提高IGBT 在UPS 中的可靠性,。