2022年IGBT在不间断电源中应用.docx

精品学习资源IGBT在不间断电源中的应用在 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，把握简洁、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 的特性充分明白和对电路进行牢靠性设计，才能发挥IGBT 的优点；本文介绍 UPS中的 IGBT的应用情形和使用中的留意事项； IGBT在 UPS 中的应用情形 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 以其牢靠性高， 输出电压稳固，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 整流器将沟通电整流成直流电，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沟通电，市电反常时，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固，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旁路开关 <AC BYPASSSWITCH）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；优点是把握简洁， 成本低，缺点是继电器有转换时间，仍有就是机电器件的寿命问题；可控硅常欢迎下载精品学习资源见于中大功率 UPS 中；优点是把握电流大，没有切换时间；但缺点就是把握复杂，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；假如接受 IGBT，如图 3，就可以防止这个问题，使用 IGBT 有把握简洁的优点，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的延时关断现象图欢迎下载精品学习资源图3： 应 用IGBT的 旁 路 开 关 整 流 器AC/DC UPS整流电路分为一般桥堆整流、 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 技术的进展和各国对电源输入功率因数要求，接受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削减，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；充电器UPS 的充电器常用的有反激式、 BOOST升压式和半桥式；大电流充电器中可接受单管 IGBT，用于功率把握，可以取得很高的效率和较大的充电电流； DC/AC逆变器3KVA 以上功率的在线式 UPS 几乎全部接受 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；欢迎下载精品学习资源的擎住效应，驱动电压低，承担过电流时间长，IGBT 必需加负偏压， IGBT 生产厂家一般举荐加-5V 左右的反偏电压；在有负偏压情形下，驱动正电压在1015V 之间，漏极电流可在 5 10s内超过额定电流的410倍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 在使用时的损坏缘由主要有以下几种情况：1 过电流损坏； IGBT 有确定抗过电流才能，但必需留意防止过电流损坏；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 电流范畴内， NPN 的正偏压不足以使 NPN 晶体管导通，当漏极电流大到确定程度时，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，门极失去了把握作用，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，最终导致器件的损坏；2 过电压损坏；IGBT 在关断时，由于逆变电路中存在电感成分，关断瞬时产生尖峰电压，假如尖 峰电 压过 压 就 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 ； IGBT损 坏 的 解 决 对 策1. 过电流损坏为了防止 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，同时留意可适当加大驱动电阻RG 的方法延长关断时间，减小IGBT的 di/dt ；驱动电压的大小也会影响 IGBT， 所以驱动 IGBT 必需设计负偏压；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设计中实行限流措施进行IGBT的电流限制也是必需的，可考虑接受IGBT 厂家供应的驱动厚膜电路；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，欢迎下载精品学习资源如 果IGBT发 生 过 电 流 ， 内 部 电 路 进 行 关 闭 驱 动 ；这种方法有时仍是不能爱惜 IGBT，依据 IR 公司的资料， IR 公司举荐的短路保护方法是：第一检测通态压降Vce，假如 Vce 超过设定值，爱惜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，假如正常，将驱动电压复原正常，假如未复原，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，可以防止快速关断造成的过大 di/dt损坏 IGBT，另外依据最新三菱公司 IGBT 资料， 三菱推出的 F 系列 IGBT 的均内含过流限流电路 <RTCcircuit），如图 6，当发生过电流， 10us 内将 IGBT 的启动电压减为 9V，协作 M57160AL 驱动厚膜电路可以快速软关断保护IGBT；图5：IGBT等效电路图欢迎下载精品学习资源图 6 三菱 F 系列 IGBT 的 RCT 电路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需是快复原的二极管，电容必需是高频、损耗小，频率特性好的薄膜电容；这样才能取得好的吸取成效；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；桥臂共导损坏在UPS 中，逆变桥同臂支路两个驱动必需是互锁的，而且应当设置死区时间<即共同不导通时间）；假如发生共导， IGBT会快速损坏；在把握电路应当考虑到各种运行状况下的驱动问题把握时序问题；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，设置过温度爱惜等方法来解决过热损坏的问题；此 外 仍 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 ； 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，并实行有效的爱惜方案，才可能提高IGBT在 UPS中的牢靠性；欢迎下载