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不间断电源中的IGBT使用总结

2021-03-08 ryder

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、开关频率高的优势,又有功率晶体管的导通电压低,通态电流大的优势、使用IGBT成为UpS功率设计的首选。关键词:不间断电源IGBTUpS1.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、开关频率高的优势,又有功率晶体管的导通电压低,通态电流大的优势、使用IGBT成为UpS功率设计的首选,惟有对IGBT的特性充足知道和对电路进行可靠性设计,才能发挥IGBT的优势。本文解析UpS中的IGBT的使用情况和使用中的留意事项。


2.IGBT在UpS中的使用情况


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。由于这些优势,IGBT广泛使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、可靠性高的显著优势。


UpS紧要有后备式、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势,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。本文以在线式为解析对象,解析UpS中的IGBT的使用。


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,能为用户供应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(ACBYpASSSWITCH)


旁路开关常使用继电器和可控硅。继电器在中小功率的UpS中广泛使用。优势是控制简单,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。优势是控制电流大,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,这样就会出现一个最大10ms的环流电流,如图2。倘若采用IGBT,如图3,则可以戒备这个问题,使用IGBT有控制简单的优势,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:使用IGBT的旁路开关


②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,使用IGBT的pFC整流器是有效率高、功率容量大、绿色环保的优势。


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。



3.IGBT损坏的原由


UpS在使用过程中,常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在使用时的损坏原由紧要有以下几种情况:


过电流损坏;


IGBT有一定抗过电流能力,但非得留意戒备过电流损坏。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,门极失去了控制用途,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。


过电压损坏;


IGBT在关断时,由于逆变电路中存在电感成分,关断瞬间出现尖峰电压,倘若尖峰电压过压则可能造成IGBT击穿损坏。


桥臂共导损坏;


过热损坏和静电损坏。


4.IGBT损坏的处理对策


过电流损坏


为了戒备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的擎住效应,驱动电压低,承受过电流时间长,IGBT非得加负偏压,IGBT加工厂家一般推荐加-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非得设计负偏压。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的电流限制也是非得的,可考虑采用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的集电极电压进行测试,倘若IGBT发生过电流,内部电路进行封闭驱动。


这种方法有时还是不能保护IGBT,依据IR公司的资料,IR公司推荐的短路保护办法是:首先测试通态压降Vce,倘若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继续测试通态压降Vce,倘若正常,将驱动电压恢复正常,倘若未恢复,将驱动封闭,使集电极电流减为零,这样实现短路电流软关断,可以戒备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,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


过电压损坏


戒备过电压损坏办法有: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;适当新增IGBT驱动电阻Rg使开关速度减慢(但开关损耗也新增了);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非得是快恢复的二极管,电容非得是高频、损耗小,频率

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