IGBT 在不間斷電源中的應用

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 易於驅動，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 與雙極晶體管複合的器件。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。由於這些優點，IGBT廣泛應用於不間斷電源系統（UPS）的設計中。這種使用IGBT 的在線式UPS 具有效率高，抗衝擊能力強、可靠性高的顯著優點。
    UPS 主要有後備式、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，廣泛用於通信系統、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。
    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，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輸出的電壓和頻率最為穩定，能為用戶提供真正高質量的正弦波電源。
 
圖1 在線式不間斷電源主電路圖
①旁路開關（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。可控硅常見於中大功率UPS 中。優點是控制電流大，沒有切換時間。但缺點就是控制複雜，且由於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，這樣就會產生一個最大10ms 的環流電流，如圖2。如果採用IGBT，如圖3，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。
 
圖2：SCR 的延時關斷現象圖                                                 圖3：應用IGBT 的旁路開關
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。傳統的整流器由於基頻為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，採用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。
③充電器
    UPS 的充電器常用的有反激式、BOOST 升壓式和半橋式。大電流充電器中可採用單管IGBT，用於功率控制，可以取得很高的效率和較大的充電電流。
④DC/AC 逆變器
    3KVA 以上功率的在線式UPS 幾乎全部採用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 在使用過程中，經常受到容性或感性負載的衝擊、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 複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，在規定的漏極電流範圍內，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 晶體管處於飽和狀態，於是寄生晶閘管開通，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，最後導致器件的損壞。
2. 過電壓損壞；
       IGBT 在關斷時，由於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。
3. 橋臂共導損壞；
4. 過熱損壞和靜電損壞。

4. IGBT 損壞的解決對策

1. 過電流損壞
       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。由於UPS 負載衝擊特性各不相同，且供電的設備可能發生電源故障短路，所以在UPS 設計中採取限流措施進行IGBT的電流限制也是必須的，可考慮採用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，於是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（RTC circuit），如圖6，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。
    
   圖5：IGBT 等效電路圖                                         圖6 三菱F 系列IGBT 的RCT 電路
2. 過電壓損壞
       防止過電壓損壞方法有：優化主電路的工藝結構，通過縮小大電流迴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）；設計緩衝電路，對尖峰電壓進行抑制。用於緩衝電路中的二極體必須是快恢復的二極體，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衝電路。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。
4. 過熱損壞
       可通過降額使用，加大散熱器，塗敷導熱膠，強制風扇製冷，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

1. IGBT 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。
2. 只有合理運用IGBT，並採取有效的保護方案，才可能提高IGBT 在UPS 中的可靠性。

參考文獻：
1， IR 公司2000 年IGBT 模塊應用技術研討會論文集
2， 三菱電機功率模塊工業應用技術研討會資料
3， IGBT 的過電流及其保護 西安交大 秦祖蔭
4， 現代電力電子技術 張立 趙永健