功率器件IGBT在不間斷電源（UPS）中的應用

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(dòng)，控制簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管的導通電壓低，通態(tài)電流大的優(yōu)點(diǎn)、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(jìn)行可靠性設計，才能發(fā)揮IGBT 的優(yōu)點(diǎn)。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(kāi)關(guān)時(shí)間是同規格GTR 的1/10。由于這些優(yōu)點(diǎn)，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(xiàn)式UPS 具有效率高，抗沖擊能力強、可靠性高的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。
　　
UPS 主要有后備式、在線(xiàn)互動(dòng)式和在線(xiàn)式三種結構。在線(xiàn)式UPS 以其可靠性高，輸出電壓穩定，無(wú)中斷時(shí)間等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于通信系統、稅務(wù)、金融、證券、電力、鐵路、民航、政府機關(guān)的機房中。本文以在線(xiàn)式為介紹對象，介紹UPS 中的IGBT 的應用。
　　
圖1 為在線(xiàn)式UPS 的主電路，在線(xiàn)式UPS 電源具有獨立的旁路開(kāi)關(guān)、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(shí)AC/DC 整流器將交流電整流成直流電，同時(shí)對蓄電池進(jìn)行充電，再經(jīng)DC/AC 逆變器將直流電逆變?yōu)闃藴收也ń涣麟?，市電異常時(shí)，電池對逆變器供電，在UPS 發(fā)生故障時(shí)將輸出轉為旁路供電。在線(xiàn)式UPS輸出的電壓和頻率最為穩定，能為用戶(hù)提供真正高質(zhì)量的正弦波電源。

圖1 在線(xiàn)式不間斷電源主電路圖

①旁路開(kāi)關(guān)（AC BYPASS SWITCH）
　　
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 中廣泛應用。優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，成本低，缺點(diǎn)是繼電器有轉換時(shí)間，還有就是機電器件的壽命問(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(guān)斷，這樣就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)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(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：當輸入為正半周時(shí)，電流流經(jīng)Q1、D2，負半周時(shí)電流流經(jīng)D1、Q2。

圖2：SCR 的延時(shí)關(guān)斷現象圖