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,。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,。
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,。
2. 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,。
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
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,。回饋式又有無源式和有源式兩種,，詳細電路設(shè)計可參見所選用器件的技術(shù)手冊,。
3. 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,。
4. 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

1. 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。
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。

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