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IGBT在科华UPS电源中的应用2020-08-21 06:58:48

  科华UPS电源的功率器件包括双极型功率晶体管、功率MOSFET、晶闸管和IGBT。IGBT具有功率MOSFET易于驱动、控制简单、开关频率高等优点,同时还具有功率晶体管导通电压低、导通电流大等优点。采用IGBT已成为UPS电源设计的首选。只有充分了解IGBT的特性,通过性的设计才能充分发挥IGBT的优势。下面介绍了IGBT在科华UPS电源中的应用。

科华UPS电源

一、IGBT在UPS中的应用

  绝缘栅双极晶体管(IGBT)是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它不仅具有功率MOSFET驱动简单、控制简单、开关频率高的优点,而且具有导通电压低、导通电流大、功率晶体管损耗低等显著优点。据东芝公司介绍,1200V/100A IGBT的导通电阻是同一耐压规格功率MOSFET的1/10,开关时间是同规格GTR的1/10。由于这些优点,IGBT在ups的设计中得到了广泛的应用。这种IGBT在线式UPS具有效率高、抗冲击能力强、可靠性高等优点。

  科华UPS有三种主要结构:后备式、在线互动式和在线式。在线式UPS以其可靠性高、输出电压稳定、无中断时间等优点,广泛应用于通信、税务、金融、证券、电力、铁路、民航、政府等部门。介绍了IGBT在UPS中的应用。

  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。其工作原理是:在电源正常的情况下,交直流整流器将交流电整流成直流电,给蓄电池充电,然后通过DC/AC逆变器将直流电逆变成标准的正弦波交流电。当市电不正常时,由蓄电池向变频器供电,科华UPS电源发生故障时,将输出切换为旁路供电。在线式UPS的输出电压和频率最稳定,能为用户提供真正的高品质正弦波电源。

  1、旁路开关(ACBYPASSWITCH)

  继电器和晶闸管通常用于旁路开关。继电器广泛应用于中小型科华UPS电源中。其优点是控制简单,成本低。缺点是继电器有开关时间和机电设备的寿命。晶闸管是中大功率ups中常用的一种。它具有控制电流大、无开关时间等优点。晶闸管的缺点是触发后会产生反向电流,而晶闸管关断后会产生复杂的导通电流。如果使用IGBT,这个问题是可以避免的。IGBT具有控制简单、成本高的优点。其工作原理是:当输入为正半周时,电流流过Q1和D2;当输入为负半周时,电流流过D1和Q2。

  2、整流器AC/DC

  UPS整流电路分为普通桥式整流器、可控硅相控整流器和PFC高频功率因数校正整流器。由于传统整流器的基频为50hz,滤波器的体积和重量都很重。随着UPS技术的发展和各国对输入功率因数的要求,采用PFC功率因数校正的UPS日益普及。PFC电路的基频至少为20kHz。采用的滤波电感和滤波电容的体积重量大大减小,输入功率因数可在不增加谐波滤波器的情况下达到0.99,IGBT是PFC电路中常用的功率器件。采用IGBT的PFC整流器具有效率高、功率容量大、环保等优点。

  3、充电器

  UPS常用的充电器有反激式、升压式和半桥式。单管IGBT可用于大电流充电器的功率控制,实现高效率、大电流充电。

  4、直流/交流逆变器

  功率大于3KVA的在线式UPS几乎都采用IGBT作为逆变电源器件,常用的是全桥电路和半桥电路。

二、IGBT损坏的原因

  在使用过程中,UPS经常受到容性或感性负载的冲击,过载甚至短路,UPS误操作可能导致IGBT损坏。IGBT损坏的主要原因如下:

  1、过电流损伤;

  IGBT具有一定的抗过流能力,但必须注意防止过流损坏。IGBT复合器件中存在寄生晶闸管,因此具有抑制效应。图5显示了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。当漏极电流足够大时,正偏压足以使NPN晶体管导通,此时NPN和PNP晶体管处于饱和状态。当寄生晶闸管导通时,栅极失去控制功能,产生保持效应。在IGBT的阻挡作用后,过大的漏极电流会导致高功耗,最终导致器件损坏。

  2、过电压损坏;

  当IGBT关断时,由于逆变电路中的电感,在关断时会产生峰值电压。如果峰值电压过电压,可能会导致IGBT击穿损坏。

  3、桥臂公共导线损坏;

  4、过热损伤和静电损伤。

三、IGBT损坏的对策

  1、过电流损伤

  为了避免IGBT因保持效应而损坏,电路设计应保证IGBT的最大工作电流不超过IGBT的IDM值。同时应注意适当增大驱动电阻Rg,以延长IGBT的关断时间,降低其di/dt。驱动电压也会影响IGBT的保持效果。驱动电压低,过流时间长。因此,必须在IGBT上增加负偏压。IGBT制造商通常建议增加-5V左右的反向偏压。在负偏压的情况下,驱动正电压在10-15v之间,漏极电流在5-10μs内可以超过额定电流的4-10倍,因此必须设计负偏压来驱动IGBT。由于科华UPS电源负载冲击特性不同,供电设备可能发生停电短路,因此在ups设计中有必要采取限流措施限制IGBT的电流,并可考虑IGBT厂家提供的驱动厚膜电路。例如富士公司的EXB841和EXB840,三菱公司的m57959al和57962cl检测IGBT的集电极电压。如果IGBT有过电流,内部电路将闭合并驱动。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,保护电路会立即将驱动电压降低到8V,然后IGBT将从饱和状态转移到放大区,导通电阻增大,短路电路也会减少。在4us连续检测到通态压降VCE后,如果正常,保护电路会立即降低通态压降VCE另外,根据三菱IGBT的最新数据,三菱生产的F系列IGBT含有过流限制电路(RTC电路),如图6所示。当发生过流时,Ig在10us内关断,BT的启动电压降到9V,m57160al驱动的厚膜电路可以快速关断并保护IGBT。

  2、过电压损坏

  防止过电压损坏的方法有:优化主电路工艺结构,通过减小大电流电路的路径来降低线路的寄生电感;适当增加IGBT驱动电阻Rg来降低开关速度(但开关损耗也会增加);设计缓冲电路抑制峰值电压。缓冲电路中使用的二极管必须是快恢复二极管,电容器必须是高频、低损耗、频率特性好的薄膜电容器。只有这样才能达到良好的吸收效果。常见的电路有能量耗散电路和反馈缓冲电路。反馈型可分为被动型和主动型。所选设备的详细设计请参考技术手册。

  3、桥臂共导损坏

  逆变器的两个支路必须在同一时间内互锁。如果发生共导,IGBT会很快损坏。在控制电路中,应考虑各种工况下的驱动问题和控制时序问题。

  4、过热损坏

  通过降额、扩大散热器、涂导热胶、强制通风机冷却、设置超温保护等措施,可解决过热损坏问题。另外,安装过程中应注意静电损伤。操作人员和工具必须防静电。