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,。
2.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。它既有功率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,，損耗小的顯著優(yōu)點。據東芝公司資料,，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,。
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,。
?、倥月烽_關（ACBYPASSSWITCH）
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,。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,。如果采用IGBT,，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Q1,、D2，負半周時電流流經D1,、Q2,。
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要求,，采用PFC功率因數校正的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。
?、鄢潆娖?/p>
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。
?、蹹C/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。
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。
2.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,。它既有功率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,，損耗小的顯著優(yōu)點。據東芝公司資料,，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,。
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DC/AC逆變器將直流電逆變?yōu)闃藴收也ń涣麟姡须姰惓r,，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,。
①旁路開關（ACBYPASSSWITCH）
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,。如果采用IGBT，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Q1,、D2，負半周時電流流經D1,、Q2,。
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要求,，采用PFC功率因數校正的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,。
?、鄢潆娖?/p>
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。
?、蹹C/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。
3.IGBT損壞的原因
UPS在使用過程中,，經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,。
?、谶^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。
?、蹣虮酃矊p壞;
?、苓^熱損壞和靜電損壞。
4.IGBT損壞的解決對策
?、龠^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（RTCcircuit）,，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,。
?、谶^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。
?、苓^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。
5.結論
?、買GBT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。