絕緣柵雙極晶體管IGBT在UPS電源中的應(yīng)用及維護(hù)檢修實(shí)例

梁光發(fā) 周曉亮 蒙春嬋

（廣西廣播電視技術(shù)中心桂林分中心）

一、引言

絕緣柵雙極晶體管(Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT) 是一種由BJT（雙極型三極管）和MOSFET（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。它具有 MOSFET 的輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開關(guān)速度高的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極功率晶體管的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。它是可用于需要高壓、大電流和高速應(yīng)用領(lǐng)域的非常理想的功率器件，優(yōu)于其他功率器件，特別是在不間斷UPS電源的應(yīng)用領(lǐng)域，其使用效果也是十分理想[1]。

二、故障現(xiàn)象

不間斷UPS電源只有旁路輸出而不能正常地進(jìn)行逆變輸出，該故障反映在不間斷電源主機(jī)面板上的直觀現(xiàn)象為“LINE”、“FAULT”指示燈以及 “BYPASS”旁路指示燈均點(diǎn)亮，但是“INV”逆變器指示燈不亮，同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，提示不間斷電源存在故障。拆開不間斷電源主機(jī)機(jī)箱后用數(shù)字萬(wàn)用表作初步檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)55A的保險(xiǎn)管已燒斷，另外，該保險(xiǎn)管外圍電路中的兩塊絕緣柵雙極晶體管IGBT導(dǎo)通性不一致。

三、科龍6KVA不間斷電源基本原理

科龍6KVA不間斷UPS電源是一種雙變換在線式的儲(chǔ)能裝置，或者說是一種以整流器、鉛酸蓄電池組、充電器以及逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷輸出電壓源。主要用于給單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時(shí)，UPS 將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時(shí)的不間斷UPS電源就是一臺(tái)交流市電穩(wěn)壓器，同時(shí)它還向機(jī)內(nèi)鉛酸蓄電池組充電；當(dāng)市電中斷（或者是事故停電）時(shí)，不間斷UPS電源立即將機(jī)內(nèi)鉛酸蓄電池組的電能，通過逆變器的逆變轉(zhuǎn)換方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220V交流電，使負(fù)載能夠很好地維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。該設(shè)備通常對(duì)電壓過大和電壓太低都提供保護(hù)[2]。

四、故障分析及處理過程

由故障現(xiàn)象中兩塊型號(hào)為2MBI150U2A-060的絕緣柵雙極晶體管IGBT導(dǎo)通性不一致，以及和其直接相連接的55A保險(xiǎn)管燒斷可初步推斷本次UPS不間斷電源不能正常地進(jìn)行逆變輸出故障的故障點(diǎn)就在絕緣柵雙極晶體管IGBT的外圍電路附近。而且，這兩塊絕緣柵雙極晶體管IGBT中至少有一個(gè)已經(jīng)損壞，甚至有可能兩個(gè)都損壞，為了更加準(zhǔn)確地進(jìn)一步確定這兩塊絕緣柵雙極晶體管IGBT的好壞，需將其所有外圍電路都斷開，單獨(dú)對(duì)絕緣柵雙極晶體管IGBT進(jìn)行測(cè)量。通過查看相關(guān)器件技術(shù)資料發(fā)現(xiàn)，該型號(hào)的絕緣柵雙極晶體管IGBT采用2合1封閉，工作電壓為600V，工作電流為150A，功耗為500W，其等效電路以及實(shí)物圖分別如下圖1、圖2所示。

UPS不間斷電源中的逆變器大多采用DSP、MCU和DDC實(shí)時(shí)處理的全數(shù)字矢量控制技術(shù)，通過脈寬調(diào)制PWM驅(qū)動(dòng)電路對(duì)作為功率開關(guān)器件的這兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直流電源變換成交流電源的逆變處理，其原理圖如圖3所示。絕緣柵雙極晶體管IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為一個(gè)PWM脈沖調(diào)制信號(hào)，該P(yáng)WM脈沖信號(hào)通過一個(gè)光耦隔離器件之后，再經(jīng)過多個(gè)三極管組成的放大電路對(duì)其進(jìn)行放大，最后通過主板上的CN7排針以及CN10排針對(duì)兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)。從主板CN7排針?biāo)蛠?lái)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)使第一個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT的G1和G2導(dǎo)通，此時(shí)會(huì)在變壓器的初級(jí)形成一個(gè)正半周的電壓；而當(dāng)從主板CN10排針?biāo)蛠?lái)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，第二個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT的G1和G2也導(dǎo)通，此時(shí)會(huì)在變壓器的初級(jí)形成一個(gè)負(fù)半周的電壓[2]。

圖1 絕緣柵雙極晶體管IGBT等效電路圖

通過用數(shù)字萬(wàn)用表分別對(duì)兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)管子的兩個(gè)等效二極管均已燒壞擊穿，具體表現(xiàn)為E1與C1兩個(gè)端口失去應(yīng)有的單向?qū)ㄐ?，同時(shí)，E2與C2兩個(gè)端口也失去應(yīng)有的單向?qū)ㄐ?，由此可判斷該絕緣柵雙極晶體管IGBT已損壞。另外，根據(jù)以往維修經(jīng)驗(yàn)推測(cè)判斷，燒斷的55A保險(xiǎn)管在很大程度上是由于絕緣柵雙極晶體管IGBT的兩個(gè)等效二極管燒壞擊穿導(dǎo)致。

圖2 絕緣柵雙極晶體管IGBT實(shí)物圖

圖3 UPS不間斷電源逆變器原理圖

最后，通過更換一個(gè)經(jīng)檢測(cè)其性能符合技術(shù)資料要求的全新的絕緣柵雙極晶體管IGBT以及55A保險(xiǎn)管，另外對(duì)這兩個(gè)器件的其他外圍電路作進(jìn)一步的檢測(cè)、補(bǔ)焊后，確認(rèn)該UPS不間斷電源沒有明顯故障，對(duì)其進(jìn)行帶負(fù)載（額定功率為1200W的可調(diào)功率電熱器）連續(xù)24小時(shí)通電測(cè)試，以此模擬UPS不間斷電源在臺(tái)站實(shí)際使用時(shí)的真實(shí)功率，使UPS不間斷電源的負(fù)載率大致在10%～30%的范圍內(nèi)。測(cè)試結(jié)果表明，修復(fù)的逆變器能夠正常進(jìn)行逆變輸出工作，UPS不間斷電源的其他整體性能指標(biāo)也在正常工作范圍內(nèi)。

五、小結(jié)

UPS不間斷電源在廣播電視發(fā)射機(jī)房起著不可或缺的重要作用，作為現(xiàn)代電力電子技術(shù)領(lǐng)域的典型設(shè)備，UPS不間斷電源在自然條件艱苦的直屬臺(tái)和縣級(jí)臺(tái)站已經(jīng)使用多年，因此，就難以避免地會(huì)出現(xiàn)各種故障，特別是在夏天溫度較高的使用環(huán)境下。本文主要介紹了UPS不間斷電源因絕緣柵雙極晶體管IGBT擊穿燒壞引起的逆變器無(wú)法進(jìn)行逆變輸出的故障及檢修方法，對(duì)UPS不間斷電源的使用和維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。