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图片太多，请用下面链接看：<br />http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80001075<br /><br /><br />中心议题<br />IGBT在UPS中的应用情况 <br />IGBT在UPS应用中损坏的原因 <br />过流、过压、桥臂共导、以及过温损坏的避免办法 <br />解决方案：<br /><br />保证IGBT 的最大工作电流应不超过IGBT 的IDM 值 <br />适当加大驱动电阻RG 、延长关断时间，减小IGBT 的di/dt <br />优化主电路的工艺结构 <br />适当增加IGBT 驱动电阻Rg 使开关速度减慢 <br />设计缓冲电路，对尖峰电压进行抑制 <br />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。 <br />通过降额使用，加大散热器，涂敷导热胶，强制风扇制冷等方法解决过热损坏 <br />进行必要的静电保护 <br />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。<br /><br />IGBT在UPS中的应用情况<br />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。<br /><br />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。<br /><br /><br />图1 在线式不间断电源主电路图<br /><br />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。<br /><br />a.旁路开关（AC BYPASS SWITCH）<br />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。<br /><br /><br /><br />b.整流器AC/DC<br />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。<br /><br />c.充电器<br />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。<br /><br />d.DC/AC 逆变器<br />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。<br /><br /><br />IGBT 损坏的原因<br />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：<br /><br />a.过电流损坏；<br />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。<br /><br />b.过电压损坏；<br />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。<br /><br />c.桥臂共导损坏；<br /><br />d.过热损坏和静电损坏。<br /><br />IGBT 损坏的解决对策<br />a.过电流损坏<br />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。<br /><br /><br /><br />b.过电压损坏<br />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。<br />c.桥臂共导损坏<br />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。<br />d.过热损坏<br />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。<br /><br />结论<br />a.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。<br />b.只有合理运用IGBT，并采取有效的保护方案，才可能<br /><br /><br /><br /><br /> 相关链接:<a href='http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80001075'>http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80001075</a> |
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