IGBT模塊性能分析及其在UPS中的應(yīng)用研究

胡雄偉

摘 要：通過對(duì)IGBT模塊的主要特性和應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)行進(jìn)口和國產(chǎn)IGBT模塊的單體測(cè)試及在UPS中應(yīng)用情況測(cè)試的對(duì)比，在UPS上進(jìn)行小批量可靠性驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)IGBT在UPS的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管；驅(qū)動(dòng)電路；可靠性

中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

IGBT是一種MOSFET與雙極晶體管復(fù)合的器件，它不僅具有MOSFET易于驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單、開關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，又具有功率晶體管的導(dǎo)通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小等顯著優(yōu)點(diǎn)。IGBT應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，堪稱現(xiàn)代功率變流裝置的“心臟”和綠色高端產(chǎn)業(yè)的“核心”。從傳統(tǒng)的電力、機(jī)械、礦冶，到軌道交通、航空航天、新能源裝備以及特種設(shè)備等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，都有它的身影。因此，從國家安全長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，IGBT不能完全依賴進(jìn)口。

1. IGBT應(yīng)用需要分析的主要特性

1.1 VCE-IC特性

VCE-IC特性（一般稱為輸出特性）的VGE依存性。因?yàn)樵撎匦员硎綢GBT在導(dǎo)通狀態(tài)下集電極-發(fā)射極電壓（VCE）和集電極電流（IC）的關(guān)系，所以形成了在導(dǎo)通狀態(tài)下IGBT中發(fā)生的損耗。然而，雖然VCE越低，產(chǎn)生的損耗就越小，但是由于該特性會(huì)隨著結(jié)溫（Tj）和VGE的變化而變化；一般情況下，推薦在VGE=15V時(shí)，UPS的最大輸出電流小于等于元件的標(biāo)稱額定電流值的情況下使用。

1.2 開關(guān)特性

開關(guān)特性大致可分為開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗兩方面。

開關(guān)時(shí)間隨著集電極電流（Ic）、結(jié)溫（Tj）、門極電阻（Rg）的變化而變化，在UPS應(yīng)用時(shí)要充分考慮。開關(guān)損耗（Eon、Eoff、Err）是在IGBT開關(guān)時(shí)（開通、關(guān)斷時(shí)）發(fā)生的。此特性隨結(jié)溫（Tj）、驅(qū)動(dòng)電阻（Rg）的變化而變化。其中特別是Rg的選定非常重要，若過大不僅會(huì)使開關(guān)損耗變大，更容易引起前述的由于死區(qū)時(shí)間不足而產(chǎn)生的橋臂直通短路現(xiàn)象。

1.3 結(jié)電容與驅(qū)動(dòng)信號(hào)特性

門極充電電荷（Qg）的特性表示了集電極-發(fā)射極間的電壓（VCE）和門極-發(fā)射極間的電壓（VGE）相對(duì)于門極充電電荷（Qg）的變化。

2.國外和國產(chǎn)IGBT在UPS的應(yīng)用情況對(duì)比

2.1 UPS常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖1）

2.2 效率對(duì)比測(cè)試

依據(jù)YD/T 1095-2008《通信用不間斷電源（UPS）》標(biāo)準(zhǔn)，UPS整機(jī)效率與IGBT的性能有關(guān)；把各品牌IGBT分別裝進(jìn)UPS通電帶載運(yùn)行，按標(biāo)準(zhǔn)要求分別進(jìn)行市電輸入電壓AC Line高中低的效率測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明：在同樣的驅(qū)動(dòng)電路中，使用國產(chǎn)的IGBT效率會(huì)稍微高0.02%～0.34%。

2.3 反峰對(duì)比測(cè)試

把各品牌IGBT分別裝進(jìn)UPS通電帶載運(yùn)行，用示波器測(cè)量IGBT的反峰電壓Vce，以判斷反峰是否超過IGBT的安全工作電壓600VDC；

測(cè)試條件：UPS接阻性AC Load 100%運(yùn)行，AC Line輸入電壓Vin=230Vac條件下；

通過測(cè)試對(duì)比，IGBT的反峰電壓Vce為393～414VDC，均不超過IGBT的安全工作電壓600VDC，滿足UPS的應(yīng)用要求，如圖2所示。

2.4 溫升對(duì)比測(cè)試

投產(chǎn)一批UPS，使用國產(chǎn)IGBT進(jìn)行高溫長(zhǎng)時(shí)間老化驗(yàn)證；事先在IGBT安裝的散熱器位置、散熱器上的溫度傳感器（即溫控器），以及UPS機(jī)器內(nèi)部環(huán)境溫度放置溫度探頭，進(jìn)行溫度記錄監(jiān)控，如表1所示。

從溫度記錄數(shù)據(jù)上可以看出，等到機(jī)器溫升穩(wěn)定時(shí)，散熱器的溫度約為53℃～54℃；折算到IGBT結(jié)溫，沒有超過結(jié)溫125℃，結(jié)溫余量足夠安全長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

2.5 可靠性驗(yàn)證

依據(jù)國標(biāo)GB 5080.7-86截尾序貫試驗(yàn)方法，產(chǎn)品壽命試驗(yàn)必須達(dá)到8000小時(shí)的要求。通過小批量使用國產(chǎn)IGBT100只，共投產(chǎn)25臺(tái)6kVA UPS，在環(huán)境溫度高溫40度、UPS接容性6000VA負(fù)載下連續(xù)工作運(yùn)行，進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，累計(jì)壽命試驗(yàn)時(shí)間10800小時(shí)；符合可靠性驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求。

結(jié)論

文章通過對(duì)IGBT的VCE-IC特性，開關(guān)特性，…等技術(shù)特性的分析，對(duì)進(jìn)口和國產(chǎn)IGBT的單體測(cè)試和UPS整機(jī)應(yīng)用測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)比，以及小批量投產(chǎn)UPS使用國產(chǎn)IGBT可靠性驗(yàn)證，（相應(yīng)的文字使文章所提及的IGBT兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)實(shí)際應(yīng)用的具有一定效果（可以適當(dāng)升華）；從而證明你提及的兩個(gè)相關(guān)技術(shù)的重要性）這些使用國產(chǎn)IGBT的UPS，經(jīng)過2～3年的市場(chǎng)應(yīng)用跟蹤，根據(jù)市場(chǎng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，市場(chǎng)失效率為0.1%，與國外品牌的0.09%接近。已可以證明國產(chǎn)IGBT可以替代國外IGBT；證明前期的特性分析和可靠性驗(yàn)證到位的情況下，國產(chǎn)IGBT能完全替代進(jìn)口品牌，可以作為今后批量使用提供重要的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

批量使用國產(chǎn)IGBT時(shí)，需要注意國內(nèi)廠家的晶圓大小、耐沖擊能力和漏電流參數(shù)批量一致性管控。

參考文獻(xiàn)

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