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(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(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。
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(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(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 ～ 10 μ s 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(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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