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采用IGBT设计UPS的技术方案

2010-08-09 14:34
科技那回事
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        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。
 


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。

a.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。
 


 

b.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。

c.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。

d.DC/AC 逆变器

        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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