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IGBT在不间断电源中的应用

作者 : 郑旺发 郭贵华

1. 引言
    在 UPS 中使用的功率器件有双极型功率晶体管、功率 MOSFET 、可控硅和 IGBT , IGBT 既有功率 MOSFET 易于驱动,控制简单、开关频率高的优点,又有功率晶体管的导通电压低,通态电流大的优点、使用 IGBT 成为 UPS 功率设计的首选,只有对 IGBT 的特性充分了解和对电路进行可靠性设计,才能发挥 IGBT 的优点。本文介绍 UPS 中的 IGBT 的应用情况和使用中的注意事项。

2. IGBT 在 UPS 中的应用情况
    绝缘栅双极型晶体管( IGBT )是一种 MOSFET 与双极晶体管复合的器件。据东芝公司资料, 1200V/100A 的 IGBT 的导通电阻是同一耐压规格的功率 MOSFET 的 1/10 ,而开关时间是同规格 GTR 的 1/10 。由于这些优点, IGBT 广泛应用于不间断电源系统( UPS )的设计中。这种使用 IGBT 的在线式 UPS 具有效率高,抗冲击能力强、可靠性高的显著优点。
    UPS 主要有后备式、在线互动式和在线式三种结构。在线式 UPS 以其可靠性高,输出电压稳定,无中断时间等显著优点,广泛用于通信系统、税务、金融、证券、电力、铁路、民航、政府机关的机房中。本文以在线式为介绍对象,介绍 UPS 中的 IGBT 的应用。
    图 1 为在线式 UPS 的主电路,在线式 UPS 电源具有独立的旁路开关、 AC/DC 整流器、充电器、 DC/AC 逆变器等系统,工作原理是:市电正常时 AC/DC 整流器将交流电整流成直流电,同时对蓄电池进行充电,再经 DC/AC 逆变器将直流电逆变为标准正弦波交流电,市电异常时,电池对逆变器供电,在 UPS 发生故障时将输出转为旁路供电。在线式 UPS 输出的电压和频率最为稳定,能为用户提供真正高质量的正弦波电源。
 
图 1 在线式不间断电源主电路图
①旁路开关( AC BYPASS SWITCH )
    旁路开关常使用继电器和可控硅。继电器在中小功率的 UPS 中广泛应用。优点是控制简单,成本低,缺点是继电器有转换时间,还有就是机电器件的寿命问题。可控硅常见于中大功率 UPS 中。优点是控制电流大,没有切换时间。但缺点就是控制复杂,且由于可控硅的触发工作特性,在触发导通后要在反向偏置后才能关断,这样就会产生一个最大 10ms 的环流电流,如图 2 。如果采用 IGBT ,如图 3 ,则可以避免这个问题,使用 IGBT 有控制简单的优点,但成本较高。其工作原理为:当输入为正半周时,电流流经 Q1 、 D2 ,负半周时电流流经 D1 、 Q2 。
 
图 2 : SCR 的延时关断现象图                                                  图 3 :应用 IGBT 的旁路开关
②整流器 AC/DC
    UPS 整流电路分为普通桥堆整流、 SCR 相控整流和 PFC 高频功率因数校正的整流器。传统的整流器由于基频为 50HZ ,滤波器的体积重量较重,随着 UPS 技术的发展和各国对电源输入功率因数要求,采用 PFC 功率因数校正的 UPS 日益普及, PFC 电路工作的基频至少 20KHZ ,使用的滤波器电感和滤波电容的体积重量大大减少,不必加谐波滤波器就可使输入功率因数达到 0.99 , PFC 电路中常用 IGBT 作为功率器件,应用 IGBT 的 PFC 整流器是有效率高、功率容量大、绿色环保的优点。
③充电器
    UPS 的充电器常用的有反激式、 BOOST 升压式和半桥式。大电流充电器中可采用单管 IGBT ,用于功率控制,可以取得很高的效率和较大的充电电流。
④ DC/AC 逆变器
    3KVA 以上功率的在线式 UPS 几乎全部采用 IGBT 作为逆变部分的功率器件,常用全桥式电路和半桥电路,如下图 4 。
 

3. IGBT 损坏的原因
    UPS 在使用过程中,经常受到容性或感性负载的冲击、过负荷甚至负载短路等,以及 UPS 的误操作,可能导致 IGBT 损坏。 IGBT 在使用时的损坏原因主要有以下几种情况:

  1. 过电流损坏;
        IGBT 有一定抗过电流能力,但必须注意防止过电流损坏。 IGBT 复合器件内有一个寄生晶闸管,所以有擎住效应。图 5 为一个 IGBT 的等效电路,在规定的漏极电流范围内, NPN 的正偏压不足以使 NPN 晶体管导通,当漏极电流大到一定程度时,这个正偏压足以使 NPN 晶体管开通,进而使 NPN 和 PNP 晶体管处于饱和状态,于是寄生晶闸管开通,门极失去了控制作用,便发生了擎住效应。 IGBT 发生擎住效应后,漏极电流过大造成了过高的功耗,最后导致器件的损坏。
  2. 过电压损坏;
        IGBT 在关断时,由于逆变电路中存在电感成分,关断瞬间产生尖峰电压,如果尖峰电压过压则可能造成 IGBT 击穿损坏。
  3. 桥臂共导损坏;
  4. 过热损坏和静电损坏。

4. IGBT 损坏的解决对策

  1. 过电流损坏
        为了避免 IGBT 发生擎住效应而损坏,电路设计中应保证 IGBT 的最大工作电流应不超过 IGBT 的 IDM 值,同时注意可适当加大驱动电阻 RG 的办法延长关断时间,减小 IGBT 的 di/dt 。驱动电压的大小也会影响 IGBT 的擎住效应,驱动电压低,承受过电流时间长, IGBT 必须加负偏压, IGBT 生产厂家一般推荐加 -5V 左右的反偏电压。在有负偏压情况下,驱动正电压在 10 — 15V 之间,漏极电流可在 5 ~ 10 μ s 内超过额定电流的 4 ~ 10 倍,所以驱动 IGBT 必须设计负偏压。由于 UPS 负载冲击特性各不相同,且供电的设备可能发生电源故障短路,所以在 UPS 设计中采取限流措施进行 IGBT 的电流限制也是必须的,可考虑采用 IGBT 厂家提供的驱动厚膜电路。如 FUJI 公司的 EXB841 、 EXB840 ,三菱公司的 M57959AL , 57962CL ,它们对 IGBT 的集电极电压进行检测,如果 IGBT 发生过电流,内部电路进行关闭驱动。
        这种办法有时还是不能保护 IGBT ,根据 IR 公司的资料, IR 公司推荐的短路保护方法是:首先检测通态压降 Vce ,如果 Vce 超过设定值,保护电路马上将驱动电压降为 8V ,于是 IGBT 由饱和状态转入放大区,通态电阻增大,短路电路减削,经过 4us 连续检测通态压降 Vce ,如果正常,将驱动电压恢复正常,如果未恢复,将驱动关闭,使集电极电流减为零,这样实现短路电流软关断,可以避免快速关断造成的过大 di/dt 损坏 IGBT ,另外根据最新三菱公司 IGBT 资料,三菱推出的 F 系列 IGBT 的均内含过流限流电路( RTC circuit ),如图 6 ,当发生过电流, 10us 内将 IGBT 的启动电压减为 9V ,配合 M57160AL 驱动厚膜电路可以快速软关断保护 IGBT 。
     
    图 5 : IGBT 等效电路图                                          图 6 三菱 F 系列 IGBT 的 RCT 电路
  2. 过电压损坏
        防止过电压损坏方法有:优化主电路的工艺结构,通过缩小大电流回路的路径来减小线路寄生电感;适当增加 IGBT 驱动电阻 Rg 使开关速度减慢(但开关损耗也增加了);设计缓冲电路,对尖峰电压进行抑制。用于缓冲电路中的二极管必须是快恢复的二极管,电容必须是高频、损耗小,频率特性好的薄膜电容。这样才能取得好的吸收效果。常见电路有耗能式和回馈式缓冲电路。回馈式又有无源式和有源式两种,详细电路设计可参见所选用器件的技术手册。
  3. 桥臂共导损坏
        在 UPS 中,逆变桥同臂支路两个驱动必须是互锁的,而且应该设置死区时间(即共同不导通时间)。如果发生共导, IGBT 会迅速损坏。在控制电路应该考虑到各种运行状况下的驱动问题控制时序问题。
  4. 过热损坏
        可通过降额使用,加大散热器,涂敷导热胶,强制风扇制冷,设置过温度保护等方法来解决过热损坏的问题。

此外还要注意安装过程中的静电损坏问题,操作人员、工具必须进行防静电保护。

5. 结论

  1. IGBT 兼具有功率 MOSFET 和 GTR 的优点,是 UPS 中的充电、旁路开关、逆变器,整流器等功率变换的理想器件。
  2. 只有合理运用 IGBT ,并采取有效的保护方案,才可能提高 IGBT 在 UPS 中的可靠性。
参考文献:
1 , IR 公司 2000 年 IGBT 模块应用技术研讨会论文集
2 , 三菱电机功率模块工业应用技术研讨会资料
3 , IGBT 的过电流及其保护 西安交大 秦祖荫
4 , 现代电力电子技术 张立 赵永健

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(本文来源于网络)

 

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