IGBT应用电子电路设计集锦—电路精选（48）

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IGBT绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。本文介绍了绝缘栅双极晶体管（IGBT）在不间断电源系统中的应用情况，分析了IGBT 在UPS 中损坏的主要原因和实际应用中应注意的问题。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。

IGBT电路原理图

IR2110驱动IGBT电路如图所示。电路采用自举驱动方式，VD1为自举二极管，C1为自举电容。接通电源，VT2导通时Cy通过VDt进行充电。这种电路适用于驱动较小容量的IGBT.对于IR2110，当供电电压较低时具有使驱动器截止的保护功能。自举驱动方式支配着VT2的导通电压，因此电压较低的保护功能是其必要条件。若驱动电压较低时驱动IGBT，则IGBT就会发生热损坏。VD1选用高速而耐压大于600V的ERA38-06、ERB38-06等二极管。

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。它既有功率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，损耗小的显著优点。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 在线式不间断电源主电路图

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。

图3：应用IGBT 的旁路开关

整流器AC/DC

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。

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过电流损坏

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IGB