不間斷電源中的IGBT應用總結

　　1. 引言

　　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 易于驅動，控制簡單、開關頻率高的優(yōu)點，又有功率晶體管的導通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點、使用IGBT 成為UPS 功率設計的首選，只有對IGBT的特性充分了解和對電路進行可靠性設計，才能發(fā)揮IGBT 的優(yōu)點。本文介紹UPS 中的IGBT 的應用情況和使用中的注意事項。

　　2. IGBT 在UPS 中的應用情況

　　絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種MOSFET 與雙極晶體管復合的器件。據(jù)東芝公司資料，1200V/100A 的IGBT 的導通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率MOSFET 的1/10，而開關時間是同規(guī)格GTR 的1/10。由于這些優(yōu)點，IGBT廣泛應用于不間斷電源系統(tǒng)（UPS）的設計中。這種使用IGBT 的在線式UPS 具有效率高，抗沖擊能力強、可靠性高的顯著優(yōu)點。

　　UPS 主要有后備式、在線互動式和在線式三種結構。在線式UPS 以其可靠性高，輸出電壓穩(wěn)定，無中斷時間等顯著優(yōu)點，廣泛用于通信系統(tǒng)、稅務、金融、證券、電力、鐵路、民航、政府機關的機房中。本文以在線式為介紹對象，介紹UPS 中的IGBT 的應用。

　　圖1 為在線式UPS 的主電路，在線式UPS 電源具有獨立的旁路開關、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AC/DC 整流器將交流電整流成直流電，同時對蓄電池進行充電，再經DC/AC 逆變器將直流電逆變?yōu)闃藴收也ń涣麟?，市電異常時，電池對逆變器供電，在UPS 發(fā)生故障時將輸出轉為旁路供電。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量的正弦波電源。

　　圖1 在線式不間斷電源主電路圖

　?、倥月烽_關（AC BYPASS SWITCH）

　　旁路開關常使用繼電器和可控硅。繼電器在中小功率的UPS 中廣泛應用。優(yōu)點是控制簡單，成本低，缺點是繼電器有轉換時間，還有就是機電器件的壽命問題?？煽毓璩Ｒ娪谥写蠊β蔝PS 中。優(yōu)點是控制電流大，沒有切換時間。但缺點就是控制復雜，且由于可控硅的觸發(fā)工作特性，在觸發(fā)導通后要在反向偏置后才能關斷，這樣就會產生一個最大10ms 的環(huán)流電流，如圖2。如果采用IGBT，如圖3，則可以避免這個問題，使用IGBT 有控制簡單的優(yōu)點，但成本較高。其工作原理為：當輸入為正半周時，電流流經Q1、D2，負半周時電流流經D1、Q2。

　　圖2：SCR 的延時關斷現(xiàn)象圖

　　圖3：應用IGBT 的旁路開關

　?、谡髌鰽C/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 技術的發(fā)展和各國對電源輸入功率因數(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)達到0.99，PFC 電路中常用IGBT 作為功率器件，應用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。

　?、鄢潆娖?/p>

　　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。

　?、蹹C/AC 逆變器

　　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。