《電子技術應用》
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采用IGBT設計UPS的技術方案
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摘要: 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。它既有功率MOSFET易于驅(qū)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,損耗小的顯著優(yōu)點。 。
Abstract:
Key words :

    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(qū)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。

  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。它既有功率MOSFET易于驅(qū)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,損耗小的顯著優(yōu)點。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(jié)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 在線式不間斷電源主電路圖
  
          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(jīng)DC/AC  逆變器將直流電逆變?yōu)闃藴收也ń涣麟姡须姰惓r,電池對逆變器供電,在UPS  發(fā)生故障時將輸出轉(zhuǎn)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(zhì)量的正弦波電源。
  a.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(yōu)點是控制簡單,成本低,缺點是繼電器有轉(zhuǎn)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(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(chǎn)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(jīng)Q1、D2,負半周時電流流經(jīng)D1、Q2。
   
  b.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(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。
  c.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。
  d.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。

  
  
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