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IGBT在不間斷電源中的應用

日期:2021-11-07 08:23
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摘要: 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、開關頻率高的優點,又有功率晶體管的導通電壓低,通態電流大的優點、使用IGBT成 為UPS功率設計的優選,只有對IGBT的特性充分了解和對電路進行可靠性設計,才能發揮IGBT的優點。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M...

 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、開關頻率高的優點,又有功率晶體管的導通電壓低,通態電流大的優點、使用IGBT成
為UPS功率設計的優選,只有對IGBT的特性充分了解和對電路進行可靠性設計,才能發揮IGBT的優點。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、開關頻率高的優點,又有功率晶體管的導通電壓低,通態電流大,損耗小的顯著優點。據東芝公
司資料,1200V/100A的IGBT的導通電阻是同一耐壓規格的功率MOSFET的1/10,而開關時間是同規格GTR的
1/10。由于這些優點,IGBT廣泛應用于不間斷電源系統(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,輸出電壓穩定,無中斷
時間等顯著優點,廣泛用于通信系統、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,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為
標準正弦波交流電,市電異常時,電池對逆變器供電,在UPS發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*為穩定,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工作特性,在觸發導通后要在反向偏置
后才能關斷,這樣就會產生一個*大10ms的環流電流。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。
 
 ?、谡髌鰽C/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、綠色環保的優點。
 
 ?、鄢潆娖?
 
  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:
 
 ?、龠^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
,于是寄生晶閘管開通,門極失去了控制作用,便發生了擎住效應。IGBT發生擎住效應后,漏極電流過大
造成了過高的功耗,*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發生擎住效應而損壞,電路設計中應保證IGBT的*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由飽和狀態轉入放大區,通態電阻增大,短路電路減削,經過4us連續檢測通態壓
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*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),當發生過電流,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?;仞伿接钟袩o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。
 
 ?、蹣虮酃矊p壞
 
  在UPS中,逆變橋同臂支路兩個驅動必須是互鎖的,而且應該設置死區時間(即共同不導通時間)。如
果發生共導,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。
 
 ?、谥挥泻侠磉\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。
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