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(jiǎn)單,、開(kāi)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(kāi)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(wú)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(kāi)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(hù)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(kāi)關(guān)（AC BYPASS SWITCH）
    旁路開(kāi)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(jiǎn)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(wèn)題?？煽毓璩Ｒ?jiàn)于中大功率UPS 中,。優(yōu)點(diǎn)是控制電流大，沒(méi)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(wèn)題，使用IGBT 有控制簡(jiǎn)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(kāi)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(guó)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,。
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(guò)程中,，經(jīng)常受到容性或感性負(fù)載的沖擊,、過(guò)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(guò)電流損壞；
       IGBT 有一定抗過(guò)電流能力,，但必須注意防止過(guò)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(kāi)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(kāi)通，門(mén)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(guò)大造成了過(guò)高的功耗,，最后導(dǎo)致器件的損壞,。
2. 過(guò)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(guò)壓則可能造成IGBT 擊穿損壞,。
3. 橋臂共導(dǎo)損壞,；
4. 過(guò)熱損壞和靜電損壞。

4. IGBT 損壞的解決對(duì)策

1. 過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)電流時(shí)間長(zhǎng),，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5～10μs 內(nèi)超過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)流限流電路（RTC circuit）,，如圖6，當(dāng)發(fā)生過(guò)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(guò)電壓損壞
       防止過(guò)電壓損壞方法有：優(yōu)化主電路的工藝結(jié)構(gòu),，通過(guò)縮小大電流回路的路徑來(lái)減小線路寄生電感,；適當(dāng)增加IGBT 驅(qū)動(dòng)電阻Rg 使開(kāi)關(guān)速度減慢（但開(kāi)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(jiàn)電路有耗能式和回饋式緩沖電路,?；仞伿接钟袩o(wú)源式和有源式兩種，詳細(xì)電路設(shè)計(jì)可參見(jiàn)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(wèn)題控制時(shí)序問(wèn)題,。
4. 過(guò)熱損壞
       可通過(guò)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(guò)溫度保護(hù)等方法來(lái)解決過(guò)熱損壞的問(wèn)題,。

此外還要注意安裝過(guò)程中的靜電損壞問(wèn)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(kāi)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)：
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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
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