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IGBT模块性能分析及其在UPS中的应用研究

范文

胡雄伟

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：A

0.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。

1.3 结电容与驱动信号特性

门极充电电荷（Qg）的特性表示了集电极-发射极间的电压（VCE）和门极-发射极间的电压（VGE）相对于门极充电电荷（Qg）的变化。

2.国外和国产IGBT在UPS的应用情况对比

2.1 UPS常用拓扑结构（图1）

2.2 效率对比测试

依据YD/T 1095-2008《通信用不间断电源（UPS）》标准，UPS整机效率与IGBT的性能有关；把各品牌IGBT分别装进UPS通电带载运行，按标准要求分别进行市电输入电压AC Line高中低的效率测试。实验表明：在同样的驱动电路中，使用国产的IGBT效率会稍微高0.02%～0.34%。

2.3 反峰对比测试

把各品牌IGBT分别装进UPS通电带载运行，用示波器测量IGBT的反峰电压Vce，以判断反峰是否超过IGBT的安全工作电压600VDC；

测试条件：UPS接阻性AC Load 100%运行，AC Line输入电压Vin=230Vac条件下；

通过测试对比，IGBT的反峰电压Vce为393～414VDC，均不超过IGBT的安全工作电压600VDC，满足UPS的应用要求，如图2所示。

2.4 温升对比测试

投产一批UPS，使用国产IGBT进行高温长时间老化验证；事先在IGBT安装的散热器位置、散热器上的温度传感器（即温控器），以及UPS机器内部环境温度放置温度探头，进行温度记录监控，如表1所示。

从温度记录数据上可以看出，等到机器溫升稳定时，散热器的温度约为53℃～54℃；折算到IGBT结温，没有超过结温125℃，结温余量足够安全长期可靠运行。

2.5 可靠性验证

依据国标GB 5080.7-86截尾序贯试验方法，产品寿命试验必须达到8000小时的要求。通过小批量使用国产IGBT100只，共投产25台6kVA UPS，在环境温度高温40度、UPS接容性6000VA负载下连续工作运行，进行可靠性验证，累计寿命试验时间10800小时；符合可靠性验证标准的要求。

结论

文章通过对IGBT的VCE-IC特性，开关特性，…等技术特性的分析，对进口和国产IGBT的单体测试和UPS整机应用测试的数据对比，以及小批量投产UPS使用国产IGBT可靠性验证，（相应的文字使文章所提及的IGBT两个关键技术对实际应用的具有一定效果（可以适当升华）；从而证明你提及的两个相关技术的重要性）这些使用国产IGBT的UPS，经过2～3年的市场应用跟踪，根据市场故障数据统计分析，市场失效率为0.1%，与国外品牌的0.09%接近。已可以证明国产IGBT可以替代国外IGBT；证明前期的特性分析和可靠性验证到位的情况下，国产IGBT能完全替代进口品牌，可以作为今后批量使用提供重要的工程应用经验。

批量使用国产IGBT时，需要注意国内厂家的晶圆大小、耐冲击能力和漏电流参数批量一致性管控。

参考文献

[1]潘江洪，苏建徽，杜雪芳.IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用研究[J].电源技术应用，2005（11）：51-54.

[2]米伟，闫英敏.功率IGBT模块可靠性研究[J]. 电子器件. 2015（01）：27-31.

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