IGBT應(yīng)用電子電路設(shè)計(jì)集錦—電路精選（48）

IGBT絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在不間斷電源系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，分析了IGBT 在UPS 中損壞的主要原因和實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題。在UPS 中使用的功率器件有雙極型功率晶體管、功率MOSFET、可控硅和IGBT，IGBT 既有功率MOSFET 易于驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點(diǎn)、使用IGBT成為UPS 功率設(shè)計(jì)的首選，只有對(duì)IGBT的特性充分了解和對(duì)電路進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，才能發(fā)揮IGBT 的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹UPS 中的IGBT 的應(yīng)用情況和使用中的注意事項(xiàng)。

IGBT電路原理圖

IR2110驅(qū)動(dòng)IGBT電路如圖所示。電路采用自舉驅(qū)動(dòng)方式，VD1為自舉二極管，C1為自舉電容。接通電源，VT2導(dǎo)通時(shí)Cy通過(guò)VDt進(jìn)行充電。這種電路適用于驅(qū)動(dòng)較小容量的IGBT.對(duì)于IR2110，當(dāng)供電電壓較低時(shí)具有使驅(qū)動(dòng)器截止的保護(hù)功能。自舉驅(qū)動(dòng)方式支配著VT2的導(dǎo)通電壓，因此電壓較低的保護(hù)功能是其必要條件。若驅(qū)動(dòng)電壓較低時(shí)驅(qū)動(dòng)IGBT，則IGBT就會(huì)發(fā)生熱損壞。VD1選用高速而耐壓大于600V的ERA38-06、ERB38-06等二極管。

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種MOSFET 與雙極晶體管復(fù)合的器件。它既有功率MOSFET 易于驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單、開關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大，損耗小的顯著優(yōu)點(diǎn)。據(jù)東芝公司資料，1200V/100A 的IGBT 的導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率 MOSFET 的1/10，而開關(guān)時(shí)間是同規(guī)格GTR的1/10。由于這些優(yōu)點(diǎn)，IGBT廣泛應(yīng)用于不間斷電源系統(tǒng)（UPS）的設(shè)計(jì)中。這種使用 IGBT 的在線式UPS 具有效率高，抗沖擊能力強(qiáng)、可靠性高的顯著優(yōu)點(diǎn)。　UPS 主要有后備式、在線互動(dòng)式和在線式三種結(jié)構(gòu)。在線式UPS 以其可靠性高，輸出電壓穩(wěn)定，無(wú)中斷時(shí)間等顯著優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于通信系統(tǒng)、稅務(wù)、金融、證券、電力、鐵路、民航、政府機(jī)關(guān)的機(jī)房中。本文以在線式為介紹對(duì)象，介紹UPS 中的IGBT的應(yīng)用。

圖1 在線式不間斷電源主電路圖

圖1 為在線式UPS 的主電路，在線式UPS 電源具有獨(dú)立的旁路開關(guān)、AC/DC 整流器、充電器、DC/AC 逆變器等系統(tǒng)，工作原理是：市電正常時(shí)AC/DC 整流器將交電整流成直流電，同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，再經(jīng)DC/AC 逆變器將直流電逆變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)正弦波交流電，市電異常時(shí)，電池對(duì)逆變器供電，在UPS 發(fā)生故障時(shí)將輸出轉(zhuǎn)為旁路供電。在線式UPS輸出的電壓和頻率最為穩(wěn)定，能為用戶提供真正高質(zhì)量的正弦波電源。

圖3：應(yīng)用IGBT 的旁路開關(guān)

整流器AC/DC

UPS 整流電路分為普通橋堆整流、SCR 相控整流和PFC 高頻功率因數(shù)校正的整流器。傳統(tǒng)的整流器由于基頻為50HZ，濾波器的體積重量較重，隨著UPS 技術(shù)的發(fā)展和各國(guó)對(duì)電源輸入功率因數(shù)要求，采用PFC 功率因數(shù)校正的UPS 日益普及，PFC 電路工作的基頻至少20KHZ，使用的濾波器電感和濾波電容的體積重量大大減少，不必加諧波濾波器就可使輸入功率因數(shù)達(dá)到0.99，PFC 電路中常用IGBT 作為功率器件，應(yīng)用 IGBT 的PFC 整流器是有效率高、功率容量大、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。UPS 的充電器常用的有反激式、BOOST 升壓式和半橋式。大電流充電器中可采用單管IGBT，用于功率控制，可以取得很高的效率和較大的充電電流。3KVA 以上功率的在線式UPS 幾乎全部采用IGBT 作為逆變部分的功率器件，常用全橋式電路和半橋電路，如下圖4。