采用IGBT設計UPS的技術方案
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摘要: 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(qū)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,。
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Abstract:
Key words :
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,。
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(qū)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(jù)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(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,、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,。
圖1 在線式不間斷電源主電路圖
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,、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(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。
a.旁路開關(AC BYPASS SWITCH)
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(zhuǎn)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(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。

b.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,。
c.充電器
c.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。
d.DC/AC 逆變器
d.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。

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