IGBT 在不间断电源中的应用

2019-10-07 21:32:35 Westpac Electronics

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。它既有 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,损耗小的显著优点。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 在线式不间断电源主电路图 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。 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。 Q1 Q2 D1 D2 Çý¶¯ ÊäÈë Êä³ö SCR OFF 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。 ④DC/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。 直流电压 直流电压 输出 输出 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 5~10μs 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。 PNP NPN R1 R2 Q1 G C E 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 ①IGBT 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。

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