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、開關頻率高的優點，又有功率晶體管的導通電壓低，通態電流大的優點、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，才能發揮 IGBT 的優點。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。據東芝公司資料， 1200V/100A 的 IGBT 的導通電阻是同一耐壓規格的功率 MOSFET 的 1/10 ，而開關時間是同規格 GTR 的 1/10 。由于這些優點， IGBT 廣泛應用于不間斷電源系統（ 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，輸出電壓穩定，無中斷時間等顯著優點，廣泛用于通信系統、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，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為標準正弦波交流電，市電異常時，電池對逆變器供電，在 UPS 發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
①旁路開關（ 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。可控硅常見于中大功率 UPS 中。優點是控制電流大，沒有切換時間。但缺點就是控制復雜，且由于可控硅的觸發工作特性，在觸發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 的延時關斷現象圖 圖 3 ：應用 IGBT 的旁路開關
②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 高頻功率因數校正的整流器。傳統的整流器由于基頻為 50HZ ，濾波器的體積重量較重，隨著 UPS 技術的發展和各國對電源輸入功率因數要求，采用 PFC 功率因數校正的 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、綠色環保的優點。
③充電器
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。
④ DC/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 。
3. IGBT 損壞的原因
UPS 在使用過程中，經常受到容性或感性負載的沖擊、過負荷甚至負載短路等，以及 UPS 的誤操作，可能導致 IGBT 損壞。 IGBT 在使用時的損壞原因主要有以下幾種情況：
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過電流損壞；
IGBT 有一定抗過電流能力，但必須注意防止過電流損壞。 IGBT 復合器件內有一個寄生晶閘管，所以有擎住效應。圖 5 為一個 IGBT 的等效電路，在規定的漏極電流范圍內， NPN 的正偏壓不足以使 NPN 晶體管導通，當漏極電流大到一定程度時，這個正偏壓足以使 NPN 晶體管開通，進而使 NPN 和 PNP 晶體管處于飽和狀態，于是寄生晶閘管開通，門極失去了控制作用，便發生了擎住效應。 IGBT 發生擎住效應后，漏極電流過大造成了過高的功耗，最后導致器件的損壞。 -
過電壓損壞；
IGBT 在關斷時，由于逆變電路中存在電感成分，關斷瞬間產生尖峰電壓，如果尖峰電壓過壓則可能造成 IGBT 擊穿損壞。 - 橋臂共導損壞；
- 過熱損壞和靜電損壞。
4. IGBT 損壞的解決對策
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過電流損壞
為了避免 IGBT 發生擎住效應而損壞，電路設計中應保證 IGBT 的最大工作電流應不超過 IGBT 的 IDM 值，同時注意可適當加大驅動電阻 RG 的辦法延長關斷時間，減小 IGBT 的 di/dt 。驅動電壓的大小也會影響 IGBT 的擎住效應，驅動電壓低，承受過電流時間長， IGBT 必須加負偏壓， IGBT 生產廠家一般推薦加 -5V 左右的反偏電壓。在有負偏壓情況下，驅動正電壓在 10 — 15V 之間，漏極電流可在 5 ～ 10 μ s 內超過額定電流的 4 ～ 10 倍，所以驅動 IGBT 必須設計負偏壓。由于 UPS 負載沖擊特性各不相同，且供電的設備可能發生電源故障短路，所以在 UPS 設計中采取限流措施進行 IGBT 的電流限制也是必須的，可考慮采用 IGBT 廠家提供的驅動厚膜電路。如 FUJI 公司的 EXB841 、 EXB840 ，三菱公司的 M57959AL ， 57962CL ，它們對 IGBT 的集電極電壓進行檢測，如果 IGBT 發生過電流，內部電路進行關閉驅動。
這種辦法有時還是不能保護 IGBT ，根據 IR 公司的資料， IR 公司推薦的短路保護方法是：首先檢測通態壓降 Vce ，如果 Vce 超過設定值，保護電路馬上將驅動電壓降為 8V ，于是 IGBT 由飽和狀態轉入放大區，通態電阻增大，短路電路減削，經過 4us 連續檢測通態壓降 Vce ，如果正常，將驅動電壓恢復正常，如果未恢復，將驅動關閉，使集電極電流減為零，這樣實現短路電流軟關斷，可以避免快速關斷造成的過大 di/dt 損壞 IGBT ，另外根據最新三菱公司 IGBT 資料，三菱推出的 F 系列 IGBT 的均內含過流限流電路（ RTC circuit ），如圖 6 ，當發生過電流， 10us 內將 IGBT 的啟動電壓減為 9V ，配合 M57160AL 驅動厚膜電路可以快速軟關斷保護 IGBT 。
圖 5 ： IGBT 等效電路圖 圖 6 三菱 F 系列 IGBT 的 RCT 電路 -
過電壓損壞
防止過電壓損壞方法有：優化主電路的工藝結構，通過縮小大電流回路的路徑來減小線路寄生電感；適當增加 IGBT 驅動電阻 Rg 使開關速度減慢（但開關損耗也增加了）；設計緩沖電路，對尖峰電壓進行抑制。用于緩沖電路中的二極管必須是快恢復的二極管，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。常見電路有耗能式和回饋式緩沖電路。回饋式又有無源式和有源式兩種，詳細電路設計可參見所選用器件的技術手冊。 -
橋臂共導損壞
在 UPS 中，逆變橋同臂支路兩個驅動必須是互鎖的，而且應該設置死區時間（即共同不導通時間）。如果發生共導， IGBT 會迅速損壞。在控制電路應該考慮到各種運行狀況下的驅動問題控制時序問題。 -
過熱損壞
可通過降額使用，加大散熱器，涂敷導熱膠，強制風扇制冷，設置過溫度保護等方法來解決過熱損壞的問題。
此外還要注意安裝過程中的靜電損壞問題，操作人員、工具必須進行防靜電保護。
5. 結論
- IGBT 兼具有功率 MOSFET 和 GTR 的優點，是 UPS 中的充電、旁路開關、逆變器，整流器等功率變換的理想器件。
- 只有合理運用 IGBT ，并采取有效的保護方案，才可能提高 IGBT 在 UPS 中的可靠性。
參考文獻：
1 ， IR 公司 2000 年 IGBT 模塊應用技術研討會論文集
2 ， 三菱電機功率模塊工業應用技術研討會資料
3 ， IGBT 的過電流及其保護 西安交大 秦祖蔭
4 ， 現代電力電子技術 張立 趙永健