IGBT技術(shù)_系統(tǒng)分析IGBT的應(yīng)用在不間斷電源中的作用
　　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。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(kāi)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、*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。
　　旁路開(kāi)關(guān)常使用繼電器和可控硅。繼電器在中小功率的 UPS 中廣泛應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，成本低，缺點(diǎn)是繼電器有轉(zhuǎn)換時(shí)間，還有就是機(jī)電器件的壽命問(wèn)題?？煽毓璩Ｒ?jiàn)于中大功率 UPS 中。優(yōu)點(diǎn)是控制電流大，沒(méi)有切換時(shí)間。但缺點(diǎn)就是控制復(fù)雜，且由于可控硅的觸發(fā)工作特性，在觸發(fā)導(dǎo)通后要在反向偏置后才能關(guān)斷，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)zui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(gè)問(wèn)題，使用 IGBT 有控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。其工作原理為：當(dāng)輸入為正半周時(shí)，電流流經(jīng) Q1 、 D2 ，負(fù)半周時(shí)電流流經(jīng) D1 、 Q2 。
　　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。
　　UPS 在使用過(guò)程中，經(jīng)常受到容性或感性負(fù)載的沖擊、過(guò)負(fù)荷甚至負(fù)載短路等，以及 UPS 的誤操作，可能導(dǎo)致 IGBT 損壞。 IGBT 在使用時(shí)的損壞原因主要有以下幾種情況：
　　IGBT 有一定抗過(guò)電流能力，但必須注意防止過(guò)電流損壞。 IGBT 復(fù)合器件內(nèi)有一個(gè)寄生晶閘管，所以有擎住效應(yīng)。圖 5 為一個(gè) IGBT 的等效電路，在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)， NPN 的正偏壓不足以使 NPN 晶體管導(dǎo)通，當(dāng)漏極電流大到一定程度時(shí)，這個(gè)正偏壓足以使 NPN 晶體管開(kāi)通，進(jìn)而使 NPN 和 PNP 晶體管處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶閘管開(kāi)通，門極失去了控制作用，便發(fā)生了擎住效應(yīng)。 IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后，漏極電流過(guò)大造成了過(guò)高的功耗，zui后導(dǎo)致器件的損壞。
　　過(guò)電壓損壞;
　　IGBT 在關(guān)斷時(shí)，由于逆變電路中存在電感成分，關(guān)斷瞬間產(chǎn)生尖峰電壓，如果尖峰電壓過(guò)壓則可能造成 IGBT 擊穿損壞。
　　橋臂共導(dǎo)損壞;
　　過(guò)熱損壞和靜電損壞。
　　為了避免 IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)而損壞，電路設(shè)計(jì)中應(yīng)保證 IGBT 的zui大工作電流應(yīng)不超過(guò) IGBT 的 IDM 值，同時(shí)注意可適當(dāng)加大驅(qū)動(dòng)電阻 RG 的辦法延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間，減小 IGBT 的 di/dt 。驅(qū)動(dòng)電壓的大小也會(huì)影響 IGBT 的擎住效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電壓低，承受過(guò)電流時(shí)間長(zhǎng)， IGBT 必須加負(fù)偏壓， IGBT 生產(chǎn)廠家一般推薦加 -5V 左右的反偏電壓。在有負(fù)偏壓情況下，驅(qū)動(dòng)正電壓在 10 — 15V 之間，漏極電流可在 5 ～ 10 μ s 內(nèi)超過(guò)額定電流的 4 ～ 10 倍，所以驅(qū)動(dòng) IGBT 必須設(shè)計(jì)負(fù)偏壓。由于 UPS 負(fù)載沖擊特性各不相同，且供電的設(shè)備可能發(fā)生電源故障短路，所以在 UPS 設(shè)計(jì)中采取限流措施進(jìn)行 IGBT 的電流限制也是必須的，可考慮采用 IGBT 廠家提供的驅(qū)動(dòng)厚膜電路。如 FUJI 公司的 EXB841 、 EXB840 ，三菱公司的 M57959AL ， 57962CL ，它們對(duì) IGBT 的集電極電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果 IGBT 發(fā)生過(guò)電流，內(nèi)部電路進(jìn)行關(guān)閉驅(qū)動(dòng)。
　　這種辦法有時(shí)還是不能保護(hù) IGBT ，根據(jù) IR 公司的資料， IR 公司推薦的短路保護(hù)方法是：首先檢測(cè)通態(tài)壓降 Vce ，如果 Vce 超過(guò)設(shè)定值，保護(hù)電路馬上將驅(qū)動(dòng)電壓降為 8V ，于是 IGBT 由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)入放大區(qū)，通態(tài)電阻增大，短路電路減削，經(jīng)過(guò) 4us 連續(xù)檢測(cè)通態(tài)壓降 Vce ，如果正常，將驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)正常，如果未恢復(fù)，將驅(qū)動(dòng)關(guān)閉，使集電極電流減為零，這樣實(shí)現(xiàn)短路電流軟關(guān)斷，可以避免快速關(guān)斷造成的過(guò)大 di/dt 損壞 IGBT ，另外根據(jù)三菱公司 IGBT 資料，三菱推出的 F 系列 IGBT 的均內(nèi)含過(guò)流限流電路（ RTC circuit ），如圖 6 ，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流， 10us 內(nèi)將 IGBT 的啟動(dòng)電壓減為 9V ，配合 M57160AL 驅(qū)動(dòng)厚膜電路可以快速軟關(guān)斷保護(hù) IGBT 。
　　橋臂共導(dǎo)損壞
　　在 UPS 中，逆變橋同臂支路兩個(gè)驅(qū)動(dòng)必須是互鎖的，而且應(yīng)該設(shè)置死區(qū)時(shí)間（即共同不導(dǎo)通時(shí)間）。如果發(fā)生共導(dǎo)， IGBT 會(huì)迅速損壞。在控制電路應(yīng)該考慮到各種運(yùn)行狀況下的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題控制時(shí)序問(wèn)題。
　　過(guò)熱損壞
　　可通過(guò)降額使用，加大散熱器，涂敷導(dǎo)熱膠，強(qiáng)制風(fēng)扇制冷，設(shè)置過(guò)溫度保護(hù)等方法來(lái)解決過(guò)熱損壞的問(wèn)題。
　　此外還要注意安裝過(guò)程中的靜電損壞問(wèn)題，操作人員、工具必須進(jìn)行防靜電保護(hù)。
　　防止過(guò)電壓損壞方法有：優(yōu)化主電路的工藝結(jié)構(gòu)，通過(guò)縮小大電流回路的路徑來(lái)減小線路寄生電感;適當(dāng)增加 IGBT 驅(qū)動(dòng)電阻 Rg 使開(kāi)關(guān)速度減慢（但開(kāi)關(guān)損耗也增加了）;設(shè)計(jì)緩沖電路，對(duì)尖峰電壓進(jìn)行抑制。用于緩沖電路中的二極管必須是快恢復(fù)的二極管，電容必須是高頻、損耗小，頻率特性好的薄膜電容。這樣才能取得好的吸收效果。常見(jiàn)電路有耗能式和回饋式緩沖電路。回饋式又有無(wú)源式和有源式兩種，詳細(xì)電路設(shè)計(jì)可參見(jiàn)所選用器件的技術(shù)手冊(cè)。