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,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 主要有后備式,、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旁路開關(guān)( AC BYPASS SWITCH )
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,??煽毓璩R娪谥写蠊β?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,,這樣就會產(chǎn)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(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,。
④ DC/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主要有以下幾種情況:
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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)斷瞬間產(chǎn)生尖峰電壓,,如果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
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過電流損壞
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 ~ 10 μ s 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 廠家提供的驅(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,,如果 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 ,如果 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 連續(xù)檢測通態(tài)壓降 Vce ,如果正常,,將驅(qū)動電壓恢復(fù)正常,,如果未恢復(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,可以避免快速關(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( RTC circuit ),,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)增加 IGBT 驅(qū)動電阻 Rg 使開關(guān)速度減慢(但開關(guān)損耗也增加了),;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?;仞伿接钟袩o源式和有源式兩種,,詳細電路設(shè)計可參見所選用器件的技術(shù)手冊。 -
橋臂共導(dǎo)損壞
在 UPS 中,,逆變橋同臂支路兩個驅(qū)動必須是互鎖的,,而且應(yīng)該設(shè)置死區(qū)時間(即共同不導(dǎo)通時間)。如果發(fā)生共導(dǎo),, IGBT 會迅速損壞,。在控制電路應(yīng)該考慮到各種運行狀況下的驅(qū)動問題控制時序問題。 -
過熱損壞
可通過降額使用,,加大散熱器,,涂敷導(dǎo)熱膠,強制風(fēng)扇制冷,,設(shè)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,。
5. 結(jié)論
- IGBT 兼具有功率 MOSFET 和 GTR 的優(yōu)點,是 UPS 中的充電,、旁路開關(guān),、逆變器,整流器等功率變換的理想器件,。
- 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,。
參考文獻:
1 ,, IR 公司 2000 年 IGBT 模塊應(yīng)用技術(shù)研討會論文集
2 , 三菱電機功率模塊工業(yè)應(yīng)用技術(shù)研討會資料
3 , IGBT 的過電流及其保護 西安交大 秦祖蔭
4 ,, 現(xiàn)代電力電子技術(shù) 張立 趙永健