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)，控制簡單,、開關(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(diǎn)是控制簡單，成本低,，缺點(diǎn)是繼電器有轉(zhuǎn)換時(shí)間,，還有就是機(jī)電器件的壽命問題?？煽毓璩Ｒ娪谥写蠊β?UPS 中,。優(yōu)點(diǎn)是控制電流大，沒有切換時(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)問題，使用 IGBT 有控制簡單的優(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(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,。
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(fù)載的沖擊、過負(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(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,。
2. 過電壓損壞,；
       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,，如果尖峰電壓過壓則可能造成 IGBT 擊穿損壞。
3. 橋臂共導(dǎo)損壞,；
4. 過熱損壞和靜電損壞,。

4. IGBT 損壞的解決對(duì)策

1. 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(jì)中應(yīng)保證 IGBT 的最大工作電流應(yīng)不超過 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,，承受過電流時(shí)間長， 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 ～ 10 μ s 內(nèi)超過額定電流的 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 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(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(dòng)電阻 Rg 使開關(guān)速度減慢（但開關(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(xì)電路設(shè)計(jì)可參見所選用器件的技術(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)問題控制時(shí)序問題,。
4. 過熱損壞
       可通過降額使用,，加大散熱器，涂敷導(dǎo)熱膠,，強(qiáng)制風(fēng)扇制冷,，設(shè)置過溫度保護(hù)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(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,。

參考文獻(xiàn)：
1 ， IR 公司 2000 年 IGBT 模塊應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)論文集
2 ,， 三菱電機(jī)功率模塊工業(yè)應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)資料
3 ,， IGBT 的過電流及其保護(hù) 西安交大 秦祖蔭
4 ， 現(xiàn)代電力電子技術(shù) 張立 趙永健