絕緣柵雙極型晶體管對UPS電源的影響
發(fā)布時間：2014.10.10 瀏覽次數：3692
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。據資料顯示，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電源主要有后備式、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電源中的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。
(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電源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。
(3)、充電器
UPS電源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。
IGBT損壞的原因及解決方法
UPS電源在使用過程中，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。
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。
(2)、過電壓損壞
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。
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。
(4)、過熱損壞和靜電損壞
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。
1)IGBT兼具有功率MOSFET和GTR的優(yōu)點，是UPS電源中的充電、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電源中的可靠性。
UPS電源主要有后備式、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電源中的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。
(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電源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。
(3)、充電器
UPS電源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。
IGBT損壞的原因及解決方法
UPS電源在使用過程中，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。
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。
(2)、過電壓損壞
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。
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。
(4)、過熱損壞和靜電損壞
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。
1)IGBT兼具有功率MOSFET和GTR的優(yōu)點，是UPS電源中的充電、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電源中的可靠性。