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，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