采用IGBT设计UPS的技术方案
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摘要： 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。
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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。
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，損耗小的顯著優點。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 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，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。
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。
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 高頻功率因數校正的整流器。傳統的整流器由于基頻為50HZ，濾波器的體積重量較重，隨著UPS 技術的發展和各國對電源輸入功率因數要求，采用PFC 功率因數校正的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、綠色環保的優點。
c.充電器
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
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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