IGBT模塊性能分析及其在UPS中的應用研究

胡雄偉

摘 要：通過對IGBT模塊的主要特性和應用關鍵點進行分析，進行進口和國產IGBT模塊的單體測試及在UPS中應用情況測試的對比，在UPS上進行小批量可靠性驗證，最終實現國產IGBT在UPS的產業化應用。

關鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管；驅動電路；可靠性

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A

0.引言

IGBT是一種MOSFET與雙極晶體管復合的器件，它不僅具有MOSFET易于驅動，控制簡單、開關頻率高等優點，又具有功率晶體管的導通電壓低、通態電流大、損耗小等顯著優點。IGBT應用領域廣泛，堪稱現代功率變流裝置的“心臟”和綠色高端產業的“核心”。從傳統的電力、機械、礦冶，到軌道交通、航空航天、新能源裝備以及特種設備等戰略性新興產業，都有它的身影。因此，從國家安全長遠考慮，IGBT不能完全依賴進口。

1. IGBT應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。因為該特性表示IGBT在導通狀態下集電極-發射極電壓（VCE）和集電極電流（IC）的關系，所以形成了在導通狀態下IGBT中發生的損耗。然而，雖然VCE越低，產生的損耗就越小，但是由于該特性會隨著結溫（Tj）和VGE的變化而變化；一般情況下，推薦在VGE=15V時，UPS的最大輸出電流小于等于元件的標稱額定電流值的情況下使用。

1.2 開關特性

開關特性大致可分為開關時間和開關損耗兩方面。

開關時間隨著集電極電流（Ic）、結溫（Tj）、門極電阻（Rg）的變化而變化，在UPS應用時要充分考慮。開關損耗（Eon、Eoff、Err）是在IGBT開關時（開通、關斷時）發生的。此特性隨結溫（Tj）、驅動電阻（Rg）的變化而變化。其中特別是Rg的選定非常重要，若過大不僅會使開關損耗變大，更容易引起前述的由于死區時間不足而產生的橋臂直通短路現象。

1.3 結電容與驅動信號特性

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

2.國外和國產IGBT在UPS的應用情況對比

2.1 UPS常用拓撲結構（圖1）

2.2 效率對比測試

依據YD/T 1095-2008《通信用不間斷電源（UPS）》標準，UPS整機效率與IGBT的性能有關；把各品牌IGBT分別裝進UPS通電帶載運行，按標準要求分別進行市電輸入電壓AC Line高中低的效率測試。實驗表明：在同樣的驅動電路中，使用國產的IGBT效率會稍微高0.02%～0.34%。

2.3 反峰對比測試

把各品牌IGBT分別裝進UPS通電帶載運行，用示波器測量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；

測試條件：UPS接阻性AC Load 100%運行，AC Line輸入電壓Vin=230Vac條件下；

通過測試對比，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的應用要求，如圖2所示。

2.4 溫升對比測試

投產一批UPS，使用國產IGBT進行高溫長時間老化驗證；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機器內部環境溫度放置溫度探頭，進行溫度記錄監控，如表1所示。

從溫度記錄數據上可以看出，等到機器溫升穩定時，散熱器的溫度約為53℃～54℃；折算到IGBT結溫，沒有超過結溫125℃，結溫余量足夠安全長期可靠運行。

2.5 可靠性驗證

依據國標GB 5080.7-86截尾序貫試驗方法，產品壽命試驗必須達到8000小時的要求。通過小批量使用國產IGBT100只，共投產25臺6kVA UPS，在環境溫度高溫40度、UPS接容性6000VA負載下連續工作運行，進行可靠性驗證，累計壽命試驗時間10800小時；符合可靠性驗證標準的要求。

結論

文章通過對IGBT的VCE-IC特性，開關特性，…等技術特性的分析，對進口和國產IGBT的單體測試和UPS整機應用測試的數據對比，以及小批量投產UPS使用國產IGBT可靠性驗證，（相應的文字使文章所提及的IGBT兩個關鍵技術對實際應用的具有一定效果（可以適當升華）；從而證明你提及的兩個相關技術的重要性）這些使用國產IGBT的UPS，經過2～3年的市場應用跟蹤，根據市場故障數據統計分析，市場失效率為0.1%，與國外品牌的0.09%接近。已可以證明國產IGBT可以替代國外IGBT；證明前期的特性分析和可靠性驗證到位的情況下，國產IGBT能完全替代進口品牌，可以作為今后批量使用提供重要的工程應用經驗。

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

參考文獻

[1]潘江洪，蘇建徽，杜雪芳.IGBT高壓大功率驅動和保護電路的應用研究[J].電源技術應用，2005（11）：51-54.

[2]米偉，閆英敏.功率IGBT模塊可靠性研究[J]. 電子器件. 2015（01） ：27-31.