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IGBT 在不间断电源(UPS)中的应用
在UPS 中使用的功率器件有双极型功率晶体管、功率MOSFET、可控硅和IGBT,IGBT 既有功率MOSFET 易于驱动,控制简单、开关频率高的优点,又有功率晶体管的导通电压低,通态电流大的优点、使用IGBT 成为UPS 功率设计的首选,只有对IGBT的特性充分了解和对电路进行可靠性设计,才能发挥IGBT 的优点。本文介绍UPS 中的IGBT 的应用情况和使用中的注意事项。
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种MOSFET 与双极晶体管复合的器件。据东芝公司资料,1200V/100A 的IGBT 的导通电阻是同一耐压规格的功率MOSFET 的1/10,而开关时间是同规格GTR 的1/10。由于这些优点,IGBT广泛应用于不间断电源系统(UPS)的设计中。这种使用IGBT 的在线式UPS 具有效率高,抗冲击能力强、可靠性高的显著优点。
UPS 主要有后备式、在线互动式和在线式三种结构。在线式UPS 以其可靠性高,输出电压稳定,无中断时间等显著优点,广泛用于通信系统、税务、金融、证券、电力、铁路、民航、政府机关的机房中。本文以在线式为介绍对象,介绍UPS 中的IGBT 的应用。
图1 为在线式UPS 的主电路,在线式UPS 电源具有独立的旁路开关、AC/DC 整流器、充电器、DC/AC 逆变器等系统,工作原理是:市电正常时AC/DC 整流器将交流电整流成直流电,同时对蓄电池进行充电,再经DC/AC 逆变器将直流电逆变为标准正弦波交流电,市电异常时,电池对逆变器供电,在UPS 发生故障时将输出转为旁路供电。在线式UPS输出的电压和频率最为稳定,能为用户提供真正高质量的正弦波电源。
旁路开关常使用继电器和可控硅。继电器在中小功率的UPS 中广泛应用。优点是控制简单,成本低,缺点是继电器有转换时间,还有就是机电器件的寿命问题。可控硅常见于中大功率UPS 中。优点是控制电流大,没有切换时间。但缺点就是控制复杂,且由于可控硅的触发工作特性,在触发导通后要在反向偏置后才能关断,这样就会产生一个最大10ms 的环流电流,如图2。如果采用IGBT,如图3,则可以避免这个问题,使用IGBT 有控制简单的优点,但成本较高。其工作原理为:当输入为正半周时,电流流经Q1、D2,负半周时电流流经D1、Q2。
UPS 整流电路分为普通桥堆整流、SCR 相控整流和PFC 高频功率因数校正的整流器。传统的整流器由于基频为50HZ,滤波器的体积重量较重,随着UPS 技术的发展和各国对电源输入功率因数要求,采用PFC 功率因数校正的UPS 日益普及,PFC 电路工作的基频至少20KHZ,使用的滤波器电感和滤波电容的体积重量大大减少,不必加谐波滤波器就可使输入功率因数达到0.99,PFC 电路中常用IGBT 作为功率器件,应用IGBT 的PFC 整流器是有效率高、功率容量大、绿色环保的优点。
UPS 的充电器常用的有反激式、BOOST 升压式和半桥式。大电流充电器中可采用单管IGBT,用于功率控制,可以取得很高的效率和较大的充电电流。
3KVA 以上功率的在线式UPS 几乎全部采用IGBT 作为逆变部分的功率器件,常用全桥式电路和半桥电路,如下图4。
UPS 在使用过程中,经常受到容性或感性负载的冲击、过负荷甚至负载短路等,以及UPS 的误操作,可能导致IGBT 损坏。IGBT 在使用时的损坏原因主要有以下几种情况:
IGBT 有一定抗过电流能力,但必须注意防止过电流损坏。IGBT 复合器件内有一个寄生晶闸管,所以有擎住效应。图5 为一个IGBT 的等效电路,在规定的漏极电流范围内,NPN 的正偏压不足以使NPN 晶体管导通,当漏极电流大到一定程度时,这个正偏压足以使NPN 晶体管开通,进而使NPN 和PNP 晶体管处于饱和状态,于是寄生晶闸管开通,门极失去了控制作用,便发生了擎住效应。IGBT 发生擎住效应后,漏极电流过大造成了过高的功耗,最后导致器件的损坏。过电压损坏;
为了避免IGBT 发生擎住效应而损坏,电路设计中应保证IGBT 的最大工作电流应不超过IGBT 的IDM 值,同时注意可适当加大驱动电阻RG 的办法延长关断时间,减小IGBT 的di/dt。驱动电压的大小也会影响IGBT 的擎住效应,驱动电压低,承受过电流时间长,IGBT 必须加负偏压,IGBT 生产厂家一般推荐加-5V 左右的反偏电压。在有负偏压情况下,驱动正电压在10—15V 之间,漏极电流可在5~10μs 内超过额定电流的4~10 倍,所以驱动IGBT 必须设计负偏压。由于UPS 负载冲击特性各不相同,且供电的设备可能发生电源故障短路,所以在UPS 设计中采取限流措施进行IGBT的电流限制也是必须的,可考虑采用IGBT 厂家提供的驱动厚膜电路。如FUJI 公司的EXB841、EXB840,三菱公司的M57959AL,57962CL,它们对IGBT 的集电极电压进行检测,如果IGBT 发生过电流,内部电路进行关闭驱动。
这种办法有时还是不能保护IGBT,根据IR 公司的资料,IR 公司推荐的短路保护方法是:首先检测通态压降Vce,如果Vce 超过设定值,保护电路马上将驱动电压降为8V,于是IGBT 由饱和状态转入放大区,通态电阻增大,短路电路减削,经过4us 连续检测通态压降Vce,如果正常,将驱动电压恢复正常,如果未恢复,将驱动关闭,使集电极电流减为零,这样实现短路电流软关断,可以避免快速关断造成的过大di/dt 损坏IGBT,另外根据最新三菱公司IGBT 资料,三菱推出的F 系列IGBT 的均内含过流限流电路(RTC circuit),如图6,当发生过电流,10us 内将IGBT 的启动电压减为9V,配合M57160AL 驱动厚膜电路可以快速软关断保护IGBT。
防止过电压损坏方法有:优化主电路的工艺结构,通过缩小大电流回路的路径来减小线路寄生电感;适当增加IGBT 驱动电阻Rg 使开关速度减慢(但开关损耗也增加了);设计缓冲电路,对尖峰电压进行抑制。用于缓冲电路中的二极管必须是快恢复的二极管,电容必须是高频、损耗小,频率特性好的薄膜电容。这样才能取得好的吸收效果。常见电路有耗能式和回馈式缓冲电路。回馈式又有无源式和有源式两种,详细电路设计可参见所选用器件的技术手册。桥臂共导损坏
在UPS 中,逆变桥同臂支路两个驱动必须是互锁的,而且应该设置死区时间(即共同不导通时间)。如果发生共导,IGBT 会迅速损坏。在控制电路应该考虑到各种运行状况下的驱动问题控制时序问题。过热损坏
产品型号 | BH10S/BH10L | BH20S/BH20L | BH30S/BH30L | BH60S/BH60L | BH100S/BH100L |
产品容量 | 1KVA/0.8KW | 2KVA/1.6KW | 3KVA/2.4KW | 6KVA/4.8KW | 10KVA/8KW |
整机特性参数 | |||||
整机体制 |
双转换高频在线式 |
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整机结构 |
采用塔式和机架式结构设计 | ||||
整机满载效率AC-AC | >90% | ||||
噪音(距离前面2米) | <50dB | ||||
工作温度 | 0~40℃ | ||||
储存温度 |
-15~60℃(不含电池) | ||||
湿度 |
<95%无冷凝 | ||||
安全标准 |
GB/T14715 | ||||
电磁兼容标准 | EN50091-1/2 | ||||
保护功能 |
过载、短路、过温、市电过高/过低、电池过高/过低 | ||||
直流启动功能 |
具备 | ||||
配接发电机功能 |
具备 | ||||
手动旁路 |
无 |
选件 |
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显示 | LCD:市电下UPS运行状态、逆变状态、旁路状态、电池状态、电池量、负载量、故障信息等 | ||||
声光报警 |
自动 | ||||
静音 |
自动 | ||||
输入特性参数 | |||||
输入电压范围 |
100%负载:180~300Vac,50%负载:110~300Vac |
175~280Vac | |||
输入频率范围 | 50/60Hz(自适应) | ||||
输入功率因PF |
0.99 | ||||
总谐波失真(THDI) | <5% | ||||
输出特性参数 |
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输出电压 | 220Vac | ||||
输出功率因数 | 0.8 | ||||
输出电压稳定度 |
220Vac±1%(静态负载);220Vac±2%(50-0%负载跃变);220Vac±5%(100-0%负载跃变) | ||||
输出频率(市电) |
46Hz≤输入频率≤54Hz时,输出和输入保持一致;输入频率小于46Hz或大于54Hz时输出频率锁定在50Hz | ||||
输出频率(电池) | 50Hz±0.2% | ||||
输出波形 |
纯正弦波 | ||||
失真度 |
<1%(线性满负载),<3%(非线性负载) | ||||
过载 |
>125%过载运行时间大于30秒; >150%过载运行立即转旁路关机 |
>120%过载运行时间30秒; >150%过载运行立即转旁路关机 |
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峰值因数 | 3:1 | ||||
逆变效率 | >90% | ||||
短路 |
电路自动保护,输出为零 | ||||
输出异常 |
逆变器输出自动闭锁保护 | ||||
噪声抑制 |
EMI/RFI滤波器 | ||||
电池过低 |
关机保护 | ||||
动态响应 |
满载3%,稳定时间为20毫秒 | ||||
自动重新启动 |
具备 | ||||
软件设定开/关机 |
具备 | ||||
旁路特性参数 |
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静态旁路转换时间 | 0ms | ||||
静态旁路输入范围 | 80Vac±5%~285Vac±5% | ||||
旁路逆变转换时间 | 2ms | ||||
电池特性参数 | |||||
电池类型 |
密封铅酸免维护电池 | ||||
标配电池额定电压、节数 |
12V/7Ah×2/3节 |
12V/7Ah×4/6节 | 12V/7Ah×6/8节 | 12V/7Ah×16节 | 12V/7Ah×16节 |
标配电池额定备用时间 | 5-15min | 5-15min | 5-15min | 5-15min | 5-15min |
长延时电池额定电压 | 36Vdc | 72Vdc | 96Vdc | 192Vdc | 192Vdc |
标配充电电流 |
1A | 1A | 1A | 1A | 1A |
长延时充电电流 |
4A | 4A | 4A | 4A | 4A |
接口特性参数 |
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通讯接口 |
RS232标配;/SNMP/RS485/干接点(选件) |
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监控软件 | 具有各种操作系统下的监控管理,市电及电池状态、市电故障、电池电压低、遥控关机、控制菜单 | ||||
物理参数 |
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标机尺寸mm(深×宽×高) |
405×145×220 |
465×190×345 | 465×190×345 | 500×240×620 | 500×240×620 |
净重量Kg |
10.5/12 | 22.5/25 | 27.5/29.5 | 60 | 57 |
长机尺寸mm(深×宽×高) |
405×145×220 | 465×190×345 | 465×190×345 | 500×240×460 | 500×240×460 |
净重量Kg | 6.5 | 12 | 12.5 | 18 | 20 |
购买人 | 会员级别 | 数量 | 属性 | 购买时间 |
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