IGBT在UPS中的应用实例
不间断电源(UPS)中IGBT的应用
不间断电源(UPS)中IGBT的应用1.引言在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。
2.IGBT在UPS中的应用情况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。
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。
①旁路开关（ACBYPASSSWITCH）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。
绝缘栅双极晶体管(IGBT)原理介绍及在UPS方面应用
绝缘栅双极晶体管（IGBT）原理介绍及在UPS方面应用作者：赵懿来源：《神州·上旬刊》2018年第03期摘要： IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），也称为绝缘栅双极晶体管，是一种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件，本文主要介绍了IGBT的结构特性、工作原理，最后对IGBT在UPS方面的实际应用进行了分析介绍。
关键词：“IGBT；绝缘栅双极晶体管”；“MOSFET；金属-氧化层-半导体-场效晶体管”；“GTR；电力晶体管”1 前言近年来，新型功率开关器件IGBT已逐渐被人们所认识，IGBT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，与以前的各种电力电子器件相比，IGBT具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；高速开关特性，导通状态低损耗。
IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件，IGBT在综合性能方面占有明显优势，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
本文主要通过对IGBT的结构特性和工作原理的学习，介绍IGBT在UPS领域的实际应用。
2 IGBT工作原理和工作特性2.1 IGBT工作原理IGBT是双极型晶体管（BJT）和MOSFET的复合器件，IGBT将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高祖漂流区，大大改善了器件的导通特性，同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗的特点。
IGBT所能应用的范围基本上替代了传统的功率晶体管。
绝缘栅双极型晶体管本质上是一个场效应晶体管，在结构上与功率MOSFET相似，只是在原功率MOSFET的漏极和衬底之间额外增加了一个P+型层。
UPS的IGBT整流技术
目前，采用ＩＧＢＴ整流技术的ＵＰＳ已有产品进入 中国。采用ＩＧＢＴ整流技术的ＵＰＳ虽存在着价格高、 大功率元件生产困难、成品率低等缺点，但随着生产 技术的发展，这种技术先进、环保节能的ＵＰＳ会越来
越普及。西
容量；８０ｋＶＡ的ＩＧＢＴ高频整流ＵＰＳ只需要配置８０ｋＶＡ 的柴油发电机组的功率容量。
简而言之，使用ＩＧＢＴ整流技术的ＵＰＳ具有重量 轻，拓扑结构简单的特点，稳定性更高，电流谐波值小， 可以适应各种负载，功效与负载多寡无关，且组件少、 体积小，无共振及过容量危险。
ＵＰＳ在为所保护的负载提供纯净电源的同时，自身 又会产生新的电磁干扰。如何有效消除这些电磁干扰已 成为ＵＰＳ技术发展的一个重要问题，用户对无污染的 绿色ＵＰＳ的呼声也越来越高。电源系统的绿色化有两 层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而 发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少 对环境的污染；其次这些电源不能（或少）对电网产生污 染。国际电工委员会（ＩＥＣ）对此制定了一系列标准，如 ＩＥＣ５５５、ＩＥＣ９１７、ＩＥＣｌ０００等。１９９６年１月１日起，欧洲 联盟ＥＵ（１５国）开始强制执行８９／３３６／ＥＥＣ有关ＥＭＣ （欧洲电工委员会）的指令，要求所有的电子电器产品 （含变频器和ＵＰＳ装置）必须符合ＥＭＣ要求，并加贴ＣＥ 标记才能在欧洲市场上销售。ＩＥＣ国际电工委员会对电 磁兼容定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工 作，且不对环境中任何事物构成不能承受的磁干扰的能 力”。
三、应用ＩＧＢＴ整流技术的ＵＰＳ
随着ＵＰＳ技术的不断发展，很多计算机、电力电子 领域的新技术和新理念引入到ＵＰＳ行业。与ＩＴ行业的 其他产品类似，现在的ＵＰＳ产品在主要性能上、外观尺 寸上、对现场环境的适应性及可靠性方面，都有了显著 的进步。目前，一种使用全新ＩＧＢＴ整流技术的ＵＰＳ已 经出现，这种新型的全ＩＧＢＴ整流可轻易地将功率因数 提高到接近１，从根本上解决了对电网回馈干扰的问 题，如图２所示。
论应用IGBT新技术的UPS电源
论应用IGBT新技术的UPS电源随着新技术发展对供电质量需求的不断提高，UPS经历了多次技术变革，特别是将IGBT技术应用于UPS领域，使UPS发生了一次巨大的变革，使得整机性能发生了非常大的变化，并为下阶段的发展打下了坚实的基础。
标签：UPS电源；IGBT技术；维护管理近年来，我国广播电视、通讯、网络等行业发展迅速，覆盖了全国绝大多数地区，已经成为人们现代生活密不可分的重要组成部分。
电源对保障系统安全可靠运行起着至关重要的作用。
为了确保可靠的供电，有交流电源供电的设备需要采用交流不间断电源（UPS），在电源系统中引入UPS是为了以优良的供电质量向负载连续供电，从而提高供电系统的可靠性和质量。
1 UPS电源的构成原理1.1 UPS电源的功能及主要构成UPS实际上就是一个大容量蓄电池，它的原理是外电网为其供电，由它再给我们的设备供电，平时它处于不断充放电的状态，它主要作用有两个，第一当断电时它起到一个蓄电池的作用，为设备提供一定时长的供电，保证设备断电后仍然能正常工作；第二就是起到稳压作用，由于它能提供稳定的电压输出，从而避免因外电网的电压波动损坏设备。
通俗的讲他就好比一个蓄水池，在有水的时候把水存起来，一旦断水它就提供给我们水。
UPS（Uninterruptible Power System ）即不间断电源是一种储备能量的装置，它是一种恒频、恒压的以逆变器为主要组成部分的电源。
在广播电影电视领域，主要用于给发射机系统、天馈线系统、卫星上行系统、车载发射系统及直播系统提供不间断优质电源的设备。
当外接市电正常供电时，UPS电源将市电进行净化整定后供应给后端负载使用，此时UPS即是一台交流市电的稳压设备，同时它还负责向附属的12V，60AH蓄电池充电；当市电意外中断时，在线式的UPS能够立即通过逆变器使用平时蓄电池储备的电能给负载供应220V的纯净、恒定交流电，避免负载在突然断电的情况下，电路板等设备受到冲击、flash等存储器数据丢失，但后备式的UPS不能够实现零秒切换，因此其使用受到了一定程度的限制。
IGBT在逆变焊机、UPS等应用中的技术问题分析
IGBT在逆变焊机、UPS等应用中的技术问题分析责任编辑：editor006 | 2014-11-20 17:07:53 本文摘自：胡少伟0 前言IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)全称为绝缘栅双极晶体管，作为电力电子转换主要开关器件，其性能优劣将直接影响整机整体表现。
随着国内工艺水平和设计能力的提升，国产IGBT开始在一些领域得到规模应用。
江苏中科君芯科技有限公司(以下简称中科君芯) 作为国内IGBT行业的领军企业，一直致力于IGBT芯片的自主研发和生产，是目前国内真正实现国产IGBT芯片自主研发和规模化量产的企业。
本文主要对中科君芯IGBT在工业类(逆变焊机及UPS)的性能表现进行介绍并加入国外主流器件进行对比测试，文章最后对中科君芯的高压器件的性能进行简要的介绍。
1 逆变焊机1.1 焊机电路拓扑工业用焊接电源电路拓扑有半桥和全桥(图1,图2)两种结构，相对于半桥结构全桥电路输出功率能力更强，半桥拓扑多用于焊机输出电流<280A的机型中，而全桥拓扑多用于焊机电流>315A的焊接电源中。
1.2 IGBT芯片技术中科君芯IGBT芯片技术历经穿通型(PT) IGBT与非穿通(NPT)型IGBT(图3 a与b)，过渡到目前国际最新的技术(图3 c)。
针对焊机产品的1200V系列正是采用了这一最新技术。
相对于PT和NPT，最新技术的特点为正面采用沟栅结构可进一步减小正向导通时饱和压降值，同时背面采用场技术进一步优化器件的开关性能，在提高性能同时可使芯片做的更薄，这种结构特性对高压器件来说是重要的。
1.3 1200V系列器件参数比对焊机领域开关频率一般>=20KH*********，为适应这一频率要求，特别针对开关特性和饱和压降进行折中优化，保证降低开关损耗的前提下导通压降值不能有显著增加。
因变压器漏感及引线电感的存在，当IGBT关断时，在杂散电感上形成电压尖峰，针对这一特点，在设计IGBT耐压时进行优化处理(标称1200V器件的实际耐压值达到1400V左右)。
IGBT技术在UPS设备中的应用
IGBT技术在UPS设备中的应用摘要IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），中文名称为：绝缘栅极型功率管。
它和传统的晶闸管等器件相比，虽然在电路中起到的作用大致相同，但IGBT的核心优势在于，它的驱动功率小、饱和压降低、开关频率极高，这些都是各应用领域所迫切需求的。
随着IGBT技术的日趋成熟，越来越多的UPS产品采用了基于PFC技术的IGBT高频整流技术，整机实现了全数字化DSP控制。
与传统的12脉冲机型相比，采用IGBT整流技术的UPS机型具有运行成本低廉、输入特性稳定、优化电网参数、便于设备小型化等优点。
关键词IGBT技术；UPS设备；应用1 IGBT技术的基本原理IGBT实际上是由垂直功率金属—氧化层半导体场效晶体管进化、发展而来的一种产物。
众所周知，在电路中实现一个较高的击穿电压时需要一个源漏通道，而且这个通道需要具有很高等级的电阻率才能实现，因而造成了以往的金属—氧化层半导体场效晶体管具有RDS(on)数值高的特征，IGBT很好的消除了现有功率场效晶体管的这些弱点。
尽管经过技术改良的功率场效晶体管在很大程度上改进了RDS(on)特性，但是其功率导通损耗等参数仍然要比采用IGBT技术的元件高出很多。
2 IGBT技术的进化与发展上世纪70年代末，金属—氧化层半导体栅功率开关器件问世，它通常被看做是IGBT的先驱。
虽然这种元件在结构上和功能上与后来的IGBT元件有着天壤之别，但它在技术特性上却已经具备了IGBT技术的雏形。
80年代初期，用于功率金属—氧化层半导体场效晶体管制造的dmos（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT的加工、制造中来。
90年代中期，随着技术的改进和加工工艺的发展，沟槽栅结构又回到由新理念主导的IGBT生产工艺中来，这是一种采用从大规模集成工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺。
采用这种沟槽栅结构生产出来的元件，具有非常突出的两项优点：1）实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进；2）硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通结构，继而变化成弱穿通结构，这就使安全工作区得到同表面栅结构演变类似的改善。
IGBT在UPS中的应用实例
IGBT 在UPS 中的应用实例
1. 引言
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。
2. IGBT 在UPS 中的应用情况
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、可靠性高的显着优点。
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，无中断时间等显着优点，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。
浅析IGBT功率模块整流的UPS工作原理及维护
浅析IGBT功率模块整流的UPS工作原理及维护现在人们的生活中越来越多的使用UPS。
UPS的整流方式主要有：可控硅整流方式和IGBT功率模块整流两种。
由于IGBT功率模块有很多优点，现在先进的UPS基本都采用IGBT功率模块整流方式。
文章简单的介绍了IGBT功率模块整流的UPS的工作原理，简要介绍其维护方法。
标签：UPS；IGBT；功率模块1 概述卫星广播电视传输要求在任何情况下保障电力的可靠传输，保障设备正常工作，信号正常传输，因此要求电力系统配备UPS（Uninterruptible Power Supply，不间断电源）进行保障。
UPS系统可以为重要的负载提供可靠、连续、无干扰的电源供应，它具有很多优势：输出电源的电压稳定；工作频率稳定；输出电压波形纯正等。
当外电出现问题（外电问题：外电中断；电压浪涌、电压波形下陷；高压尖脉冲；瞬态高压；谐波干扰；频率漂移；持续高低压等）时，由储能电池向负载供电，确保负载运行正常，至外电恢复或后备油机启动。
同时UPS还有自动旁路和手动旁路两种切换方式，当UPS电源本身出现问题时，UPS可以切换至自动旁路，保证电力的可靠供应，当UPS需要检修时可以切换到手动旁路进行检修。
2 UPS的原理2.1 UPS基本原理UPS系统是由整流器、逆变器、电池组、静态开关四个部分组成（如图1所示）。
UPS正常工作时，Q1闭合，Q2断开，外电通过整流器、逆变器、静态开关供应负载使用。
整流器在系统中起到稳定电压的功能，它可以在外电出现一定幅度的波动时，仍然输出稳定的电压。
逆变器在系统中主要是保障UPS输出频率的稳定。
电池组完成储能、净化的功能，消除整流器无法净化的瞬间干扰脉冲，同时当外电中断时提供储能保障。
静态开关负责检测逆变器输出电的质量，当UPS逆变器输出电故障时，静态开关瞬间切换到UPS自动旁路，确保负载供电不中断。
两路外电在实际连接时可以使用同一变压器输出的电源，也可以使用不同变压器输出的电源，但是当UPS2台及以上并机使用时，接到几个UPS旁路的外电必须是同一变压器输出的电源。
IGBT模块性能分析及其在UPS中的应用研究
IGBT模块性能分析及其在UPS中的应用研究作者：胡雄伟来源：《中国新技术新产品》2017年第03期摘要：通过对IGBT模块的主要特性和应用关键点进行分析，进行进口和国产IGBT模块的单体测试及在UPS中应用情况测试的对比，在UPS上进行小批量可靠性验证，最终实现国产IGBT在UPS的产业化应用。
关键词：绝缘栅双极型晶体管；驱动电路；可靠性中图分类号：TN91 文献标识码：A0.引言IGBT是一种MOSFET与双极晶体管复合的器件，它不仅具有MOSFET易于驱动，控制简单、开关频率高等优点，又具有功率晶体管的导通电压低、通态电流大、损耗小等显著优点。
IGBT应用领域广泛，堪称现代功率变流装置的“心脏”和绿色高端产业的“核心”。
从传统的电力、机械、矿冶，到轨道交通、航空航天、新能源装备以及特种设备等战略性新兴产业，都有它的身影。
因此，从国家安全长远考虑，IGBT不能完全依赖进口。
1. IGBT应用需要分析的主要特性1.1 VCE-IC特性VCE-IC特性（一般称为输出特性）的VGE依存性。
因为该特性表示IGBT在导通状态下集电极-发射极电压（VCE）和集电极电流（IC）的关系，所以形成了在导通状态下IGBT中发生的损耗。
然而，虽然VCE越低，产生的损耗就越小，但是由于该特性会随着结温（Tj）和VGE的变化而变化；一般情况下，推荐在VGE=15V时，UPS的最大输出电流小于等于元件的标称额定电流值的情况下使用。
1.2 开关特性开关特性大致可分为开关时间和开关损耗两方面。
开关时间随着集电极电流（Ic）、结温（Tj）、门极电阻（Rg）的变化而变化，在UPS应用时要充分考虑。
开关损耗（Eon、Eoff、Err）是在IGBT开关时（开通、关断时）发生的。
此特性随结温（Tj）、驱动电阻（Rg）的变化而变化。
其中特别是Rg的选定非常重要，若过大不仅会使开关损耗变大，更容易引起前述的由于死区时间不足而产生的桥臂直通短路现象。
绝缘栅双极晶体管(IGBT)原理介绍及在UPS方面应用
208绝缘栅双极晶体管(IGBT)原理介绍及在UPS 方面应用赵懿重庆广电集团(总台)摘要：IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),也称为绝缘栅双极晶体管,是一种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件,本文主要介绍了IGBT 的结构特性、工作原理，最后对IGBT 在UPS 方面的实际应用进行了分析介绍。
关键词：“IGBT；绝缘栅双极晶体管”；“MOSFET；金属-氧化层-半导体-场效晶体管”；“GTR；电力晶体管”1 前言近年来，新型功率开关器件IGBT 已逐渐被人们所认识，IGBT 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, 与以前的各种电力电子器件相比，IGBT 具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；高速开关特性,导通状态低损耗。
IGBT 兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降两方面的优点。
GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低,是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件，IGBT 在综合性能方面占有明显优势，非常适合应用于直流电压为600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
本文主要通过对IGBT 的结构特性和工作原理的学习，介绍IGBT 在UPS 领域的实际应用。
2 IGBT 工作原理和工作特性2.1 IGBT 工作原理IGBT 是双极型晶体管(BJT)和MOSFET 的复合器件，IGBT 将BJT 的电导调制效应引入到VDMOS 的高祖漂流区，大大改善了器件的导通特性，同时它还具有MOSFET 的栅极高输入阻抗的特点。
IGBT 所能应用的范围基本上替代了传统的功率晶体管。
绝缘栅双极型晶体管本质上是一个场效应晶体管，在结构上与功率MOSFET 相似，只是在原功率MOSFET 的漏极和衬底之间额外增加了一个P+型层。
浅析IGBT功率模块整流的UPS工作原理及维护
浅析IGBT功率模块整流的UPS工作原理及维护作者：陈涛来源：《科技创新与应用》2016年第09期摘要：现在人们的生活中越来越多的使用UPS。
UPS的整流方式主要有：可控硅整流方式和IGBT功率模块整流两种。
由于IGBT功率模块有很多优点，现在先进的UPS基本都采用IGBT功率模块整流方式。
文章简单的介绍了IGBT功率模块整流的UPS的工作原理，简要介绍其维护方法。
关键词：UPS；IGBT；功率模块1 概述卫星广播电视传输要求在任何情况下保障电力的可靠传输，保障设备正常工作，信号正常传输，因此要求电力系统配备UPS（Uninterruptible Power Supply，不间断电源）进行保障。
UPS系统可以为重要的负载提供可靠、连续、无干扰的电源供应，它具有很多优势：输出电源的电压稳定；工作频率稳定；输出电压波形纯正等。
当外电出现问题（外电问题：外电中断；电压浪涌、电压波形下陷；高压尖脉冲；瞬态高压；谐波干扰；频率漂移；持续高低压等）时，由储能电池向负载供电，确保负载运行正常，至外电恢复或后备油机启动。
同时UPS 还有自动旁路和手动旁路两种切换方式，当UPS电源本身出现问题时，UPS可以切换至自动旁路，保证电力的可靠供应，当UPS需要检修时可以切换到手动旁路进行检修。
2 UPS的原理2.1 UPS基本原理UPS系统是由整流器、逆变器、电池组、静态开关四个部分组成（如图1所示）。
UPS正常工作时，Q1闭合，Q2断开，外电通过整流器、逆变器、静态开关供应负载使用。
整流器在系统中起到稳定电压的功能，它可以在外电出现一定幅度的波动时，仍然输出稳定的电压。
逆变器在系统中主要是保障UPS输出频率的稳定。
电池组完成储能、净化的功能，消除整流器无法净化的瞬间干扰脉冲，同时当外电中断时提供储能保障。
静态开关负责检测逆变器输出电的质量，当UPS逆变器输出电故障时，静态开关瞬间切换到UPS自动旁路，确保负载供电不中断。
IGBT技术在UPS设备中的应用
IGBT技术在UPS设备中的应用摘要IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），中文名称为：绝缘栅极型功率管。
它和传统的晶闸管等器件相比，虽然在电路中起到的作用大致相同，但IGBT的核心优势在于，它的驱动功率小、饱和压降低、开关频率极高，这些都是各应用领域所迫切需求的。
随着IGBT技术的日趋成熟，越来越多的UPS产品采用了基于PFC技术的IGBT高频整流技术，整机实现了全数字化DSP控制。
与传统的12脉冲机型相比，采用IGBT整流技术的UPS机型具有运行成本低廉、输入特性稳定、优化电网参数、便于设备小型化等优点。
关键词IGBT技术；UPS设备；应用1 IGBT技术的基本原理IGBT实际上是由垂直功率金属—氧化层半导体场效晶体管进化、发展而来的一种产物。
众所周知，在电路中实现一个较高的击穿电压时需要一个源漏通道，而且这个通道需要具有很高等级的电阻率才能实现，因而造成了以往的金属—氧化层半导体场效晶体管具有RDS(on)数值高的特征，IGBT很好的消除了现有功率场效晶体管的这些弱点。
尽管经过技术改良的功率场效晶体管在很大程度上改进了RDS(on)特性，但是其功率导通损耗等参数仍然要比采用IGBT技术的元件高出很多。
2 IGBT技术的进化与发展上世纪70年代末，金属—氧化层半导体栅功率开关器件问世，它通常被看做是IGBT的先驱。
虽然这种元件在结构上和功能上与后来的IGBT元件有着天壤之别，但它在技术特性上却已经具备了IGBT技术的雏形。
80年代初期，用于功率金属—氧化层半导体场效晶体管制造的dmos（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT的加工、制造中来。
90年代中期，随着技术的改进和加工工艺的发展，沟槽栅结构又回到由新理念主导的IGBT生产工艺中来，这是一种采用从大规模集成工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺。
采用这种沟槽栅结构生产出来的元件，具有非常突出的两项优点：1）实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进；2）硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通结构，继而变化成弱穿通结构，这就使安全工作区得到同表面栅结构演变类似的改善。
UPSIGBTPFC整流器
单相IGBT-PFC整流器得工作原理
DC+
e u AB iR iX L
LR
e
i
A
B
i
e
φ
UAB
iXL
iR
DC-
• 市电正常时,监测e、i得大小与相位,并根据iR(与e同相)与iXL(超前e 90°)确定UAB得幅
值与相位,并产生符合UAB要求得驱动信号,以达到输入电压与输入电流同相位。 • 对UAB得要求:幅值大小取决于脉冲得宽度;相位移φ大小取决于脉冲相位得时序。
> 解决方案
– 通过控制 IGBT 得指令,为中线电感提供一个补偿电流 (调整得参考点为零电位点)。
TN2
N
C8
注 : 这就是个慢速调整过程,采用50Hz得频率。 只有当开关频率达到几KHz左右时,产生得噪声才就是 较明显得。
Vdc_neg
- 4-30900VV
市电输入不变
产生得电压参考信号 发生变化—— 幅值下降、相位后移
i↑
e
φ2↑
驱动信号得产 生方法不变
UAB
iXL
PWM驱动信号变
iR
化:相位及脉宽
2、 IGBT-PFC整流器工作原理
单相IGBT-PFC整流器得工作原理
DC +
DC+
LR
e
A
B
LR
e
A
B
DC -
e正半周: • 触发脉冲到来; • A下侧IGBT导通; • 电感储能。
– C7 与 C8 之间得电压不平衡将影响逆变器得运行。 – 某些负载需要非平衡电流,例如分配不平衡得单相负
++430900 VV
TN1 C7
用于双变换UPS的全桥IGBT
用于双变换UPS的全桥IGBT
UPS设计的趋势
近二十年来，不间断电源随着信息设备的广泛使用而迅速普及，大量使用于信息设备和数据的保护。
从不间断电源自身发展来看，很大程度依赖于电力电子技术发展，更依赖于电力电子器件的发展，如磁性材料，IGBT，Power MOSFET。
在中大功率产品中IGBT取代GTO使得高频，高效率的SPWM逆变器进入商业应用，也使得有源PFC整流成为可能。
在小功率方面，IGBT和POWER MOSFET，取代了BJT，使得效率大幅提高，体积重量大大降低，成本也有革命性的下降。
在众多的UPS电路拓朴结构中，带输出变压器的双变换电路结构具有很强的生命力，它诞生于双极型三极管年代，十多年来整机电路原理没有什幺突破，只是在控制电路和用户界面做了改进，逆变器顺着潮流采用了IGBT。
可以说是IGBT给予这一电路形式的UPS持续的生命力。
但是相对于近几年发展起来的高频链双变换UPS来说，其缺点也逐渐显露出来了，体积质量大，成本高，但是依赖其成熟的技术，几乎工业化的标准模块式结构和很高的可靠性，使它在市场拥有的份额并没有减小，而且产量越来越大，迫使各大UPS厂商寻找新的技术，以提高效率，降低成本。
尤其效率的提高，能有效地减小散热器尺寸，减少后备电池容量，减小充电器功率，明显减小整机体积重量。
如果10KVA UPS的8小时机型，提高2%的整机效率，可以减少使用相当12V 6.5AH电池20多节！
图1，带输出变压器的双变换UPS
（图1）所示，是一个典型的双变换UPS，输入交流电经过由D1~D4构成。
Vishay新款IGBT模块为太阳能逆变器和UPS提供集成方案
Vishay新款IGBT模块为太阳能逆变器和UPS提供
集成方案
宾夕法尼亚、MALVERN 2014 年10 月16 日日前，Vishay Intertechnology，Inc.（NYSE 股市代号：VSH）宣布，推出专门为串接太阳能逆变器和中功率不间断电源（UPS）设计的新款IGBT电源模块。
Vishay Semiconductor模块在采用压合技术的单片封装内组合了超快Trench IGBT、高效HEXFRED®和FRED Pt®二极管，用热敏电阻轻松实现热管理，为基于三电平中性点钳位（NPC）拓扑和交叉多通道MPPT（最大功率点跟踪）的升压转换器提供了完整的集成方案。
通过集成设计，今天发布的这些器件可帮助设计者缩短产品上市时间，提高系统整体性能。
VS-ENQ030L120S的集电极到发射极的击穿电压为1200V，集电极电流达到30A，适合三电平NPC拓扑。
VS-ETF075Y60U和VS-ETF150Y65U可用于三电平逆变器级，集电极电流分别为75A和150A，集电极到发射极的击穿电压分别为600V和650V，可在+175℃高温下工作。
15A VS-ETL015Y120H适用于双路升压转换器，集电极到发射极的击穿电压为1200V，采用高效硅启动二极管，集成62A旁路二极管、电池板短路全电流反向极性保护二极管。
所有器件均采用模块化和可扩展设计，以适应高更功率的应用。
电源模块采用EMIPAK-1B （VS-ENQ030L120S）和EMIPAK-2B。
典型双变换UPS的电压变换原理解释
典型双变换UPS的电压变换原理解释UPS是如何把市电的380V交流电变换成逆变器输出的380V交流电，并在这一变换过程中保持输出电压基本不变，是很多数据中心UPS用户经常疑惑的问题（本文内容可详参“《无输出变压器型UPS技术的研究》——张广明”一文）。
1、相控整流UPS的电压变换原理下图1 为三相相控整流UPS输出的拓扑原理框图。
整流器采用6脉冲相控三相桥式电路，逆变器为三相IGBT桥式电路，具有一个输出隔离变压器，变压器的初级做三角型连接，由三相全桥的三个桥臂中点做三相线电压输入，变压器次级为星型连接，产生新的零线按三相四线制向负载供电。
为了UPS转静态旁路时也能正常供电，输出变压器产生的零线必须与旁路系统输入的零线连接在一起。
图1 市电正常时，调整可控硅的触发相角，实现整流器输出直流电压的调节，对电池充电，同时为IGBT结构的桥式逆变器供电。
从系统结构可以看出，从整流到逆变的过程中，每个环节都是降压环节：可控硅整流是为了提供恒定的直流电压而采取的一种整流方式，由于可控硅整流要“斩掉”一部分输入电压，如图1 所示，所以其输出电压恒定的代价是输出电压恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。
而逆变环节同样是一个降压环节，从可控整流输入来的直流电在通过逆变器逆变出正弦交流电的过程中通常采用的是正弦波脉宽调制（SPWM）方法，其结果同样是输出电压等级的再次降低。
正是由于上述的原因，在此种结构的UPS逆变器中，输出变压器起着电压匹配和提升的作用，将逆变器输出的电压升至到合理的输出范围。
在实际应用中，输出变压器通常采用下图的接法，变压器初级是三角型，对于没有升降压作用的隔离变压器，三个初级线圈的电压都是380V，次级是星型，三个次级线圈的电压都是220V，那么初次级线圈的匝比应该是：N1: N2=1:0.577 当要求输出相电压为稳定的220V时，变压器原边的峰值电压（即直流电压E）应该是：220V ×1.414×1.732=538.8V 图2考虑到逆变器PWM工作方式，为逆变器供电的直流电压要高于变压器原边的峰值电压，最小极限值通常取变压器原边峰值电压1.2倍左右，即：538.8V×1.2=646.56V但是，当考虑输入电压下限变化10%时，输入三相线电压全波整流的最高直流电压的理论值是：380V×1.414×0.9=483V 实际上考虑到AC/DC转换过程的降压因素，大中型UPS的电池（直接跨接在直流母线上）通常配置32～34节，额定电压为384V～408V，浮充电压（即AC/DC变换后的直流母线电压）为432V～459V，电池放电下线电压为340V～362V。
光伏和UPS逆变器供应最高效率的功率模块
光伏和UPS逆变器供应最高效率的功率模块用于三电平DC/AC 变换器的IGBT功率模块： 50kW - 250kW为了得到高达20kHz的开关频率，赛米控在SKiM®功率模块中集成了三电平逆变器结构。
SKiM® IGBT产品组合为光伏和UPS市场上提供了最优的效率。
相对于标准两电平解决方案减少的损耗，用于三电平逆变器的SKiM ®在15 kHz频率范围内可减少高达10％的损耗。
SKiM®功率模块集成了最新的IGBT和二极管。
600/650V IGBT3和1200V IGBT4具有低开关和导通损耗，可最大限度地提高应用的转换效率。
使用三电平解决方案的主要优点在于其输出波形接近正弦波，谐波分量少，输出滤波器的尺寸减小了（这意味着可降低成本和减小外形尺寸）。
相比两电平解决方案，总损耗得以最小化。
SKiM的功率范围为50kW-250kW 额定逆变器功率。
三电平逆变器解决方案提供的效率最高可达99％。
得益于三电平方案降低了损耗且导热率高，散热器的尺寸也减小了。
同时，得益于谐波分量减少、良好的输出波形和EMI干扰小，输出滤波器的尺寸得以缩小。
采用三电平逆变器可实现成本低、重量轻、尺寸小且转换效率最高的设计。
模块的内部设计保证了不同整流路径的杂散电感低。
这对于三电平逆变器来说非常重要，因为根据调制方式有不同的整流路径。
最坏的情况下，模块内的开关路径内有低于20nH的杂散电感。
使得对于更小的开关电流具有更高的直流环节电压，这意味着损耗减少了。
SKiM®是基于压接技术的隔离式无基板功率模块，可实现热阻最小、无机械应力的设计，用于大功率和要求温度循环能力强的应用。
SKiM的高度只有17mm，是一款紧凑的隔离式功率模块，支持紧凑型的光伏和UPS逆变器设计。
目前额定电流为200A/600V至600A/600V额定IGBT芯片电流，1200V为200/300A。
【ups方案】64kw模块化ups技术方案-施耐德
机房UPS供电解决方案一、项目需求机房的需求约为60KW左右，按照需求需要配置1台60KW以上的 UPS，以满足机房信息量的增长与供电的需求变化，UPS必须具有可靠的稳定性，安全性，并具有满足机房未来续期的在线扩容能力，保证机房未来的应用需求。
二、UPS选型根据计算出UPS容量，整个机房的目前最大IT负荷约为50KW，本次项目推荐采用施耐德旗下的APC模块化UPS Symmetra® PX 160kW主机1台，Symmetra® PX 160kW主机柜可最大安装10个功率模块。
每个模块功率16KVA/KW,可形成或N+N冗余，例如:4＋1（64KW+16KW）冗余，或4＋2(64KW+32KW)冗余，本次方案每套主机配置：4个模块功率16KVA/KW，采用：3＋1(48KW+16KW)冗余的运行方式。
为什么选择模块化UPS？1. 模块化UPS采用具有高频特性的IGBT功率器件作为整流器，加上输入功率因数校正装置，可以使输入功率因数做到大于0.999，输入端谐波电流THDI小于3%，对电网来说相当于纯线性负载，与发电机组完全兼容，与发电机配比可以做到1:1；2.模块化UPS的整机效率高达96%，比普通UPS节能3%-5%，且噪音低，放在机房十分安静；3. 模块化UPS考虑到IT负载要不断的适应公司业务的发展，其智能模块、功率模块、电池模块和旁路均采用真正模块化热拔插技术，可以在不停机的情况下实现UPS容量的在线扩容；UPS具有1+1冗余的智能控制模块，并且其功率模块可以在UPS中设置成N+1冗余运行模式，大大提高了系统的可用性。
4. 每套UPS主机系统含160KVA输入及输出配电，未来扩容只需增加模块，配电系统不需要进行改造。
从而大大减少了扩容时的工程量以及一般UPS扩容需要下电等风险5. 模块化UPS 的好处是完全可以按照实际的负载来配置功率模块，使得UPS 的输出能力和负载之间的配比处于合理的百分比（即UPS 系统的效率高），而不用一次购买庞大的固定功率的传统UPS 系统，使得初期UPS 的负载量很低导致UPS 系统的效率低，运行成本高。
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IGBT在UPS中的应用实例
来源：半导体器件应用网
摘要：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。
关键字：功率晶体管,IGBT,UPS
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。
2. IGBT 在UPS 中的应用情况
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 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。
①旁路开关(AC BYPASS SWITCH)
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。
②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。
③充电器
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。
④DC/AC 逆变
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。
3. IGBT 损坏的原因
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：
1. 过电流损坏;
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。
2. 过电压损坏;
IGBT 在关断时，由于逆变电路中存在电感成分，关断瞬间产生尖峰电压，如果尖峰电压过压则可能造成IGBT 击穿损坏。
3. 桥臂共导损坏;
4. 过热损坏和静电损坏。
4. IGBT 损坏的解决对策
1. 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。
2. 过电压损坏
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
3. 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。
4. 过热损坏
可通过降额使用，加大散热器，涂敷导热胶，强制风扇制冷，设置过温度保
护等方法来解决过热损坏的问题。
此外还要注意安装过程中的静电损坏问题，操作人员、工具必须进行防静电保护。
5. 结论
1. IGBT 兼具有功率MOSFET 和GTR 的优点，是UPS 中的充电、旁路开关、逆变器，整流器等功率变换的理想器件。
2. 只有合理运用IGBT，并采取有效的保护方案，才可能提高IGBT 在UPS 中的可靠性。
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9、《IGBT应用设计全面剖析》。