绝缘栅双极晶体管IGBT在UPS电源中的应用及维护检修实例

梁光发 周晓亮 蒙春婵

（广西广播电视技术中心桂林分中心）

一、引言

绝缘栅双极晶体管(Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT) 是一种由BJT（双极型三极管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它具有 MOSFET 的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。它是可用于需要高压、大电流和高速应用领域的非常理想的功率器件，优于其他功率器件，特别是在不间断UPS电源的应用领域，其使用效果也是十分理想[1]。

二、故障现象

不间断UPS电源只有旁路输出而不能正常地进行逆变输出，该故障反映在不间断电源主机面板上的直观现象为“LINE”、“FAULT”指示灯以及 “BYPASS”旁路指示灯均点亮，但是“INV”逆变器指示灯不亮，同时发出报警声，提示不间断电源存在故障。拆开不间断电源主机机箱后用数字万用表作初步检测时发现一个55A的保险管已烧断，另外，该保险管外围电路中的两块绝缘栅双极晶体管IGBT导通性不一致。

三、科龙6KVA不间断电源基本原理

科龙6KVA不间断UPS电源是一种双变换在线式的储能装置，或者说是一种以整流器、铅酸蓄电池组、充电器以及逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断输出电压源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的不间断UPS电源就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内铅酸蓄电池组充电；当市电中断（或者是事故停电）时，不间断UPS电源立即将机内铅酸蓄电池组的电能，通过逆变器的逆变转换方法向负载继续供应220V交流电，使负载能够很好地维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。该设备通常对电压过大和电压太低都提供保护[2]。

四、故障分析及处理过程

由故障现象中两块型号为2MBI150U2A-060的绝缘栅双极晶体管IGBT导通性不一致，以及和其直接相连接的55A保险管烧断可初步推断本次UPS不间断电源不能正常地进行逆变输出故障的故障点就在绝缘栅双极晶体管IGBT的外围电路附近。而且，这两块绝缘栅双极晶体管IGBT中至少有一个已经损坏，甚至有可能两个都损坏，为了更加准确地进一步确定这两块绝缘栅双极晶体管IGBT的好坏，需将其所有外围电路都断开，单独对绝缘栅双极晶体管IGBT进行测量。通过查看相关器件技术资料发现，该型号的绝缘栅双极晶体管IGBT采用2合1封闭，工作电压为600V，工作电流为150A，功耗为500W，其等效电路以及实物图分别如下图1、图2所示。

UPS不间断电源中的逆变器大多采用DSP、MCU和DDC实时处理的全数字矢量控制技术，通过脉宽调制PWM驱动电路对作为功率开关器件的这两个绝缘栅双极晶体管IGBT进行驱动，实现直流电源变换成交流电源的逆变处理，其原理图如图3所示。绝缘栅双极晶体管IGBT的驱动信号为一个PWM脉冲调制信号，该PWM脉冲信号通过一个光耦隔离器件之后，再经过多个三极管组成的放大电路对其进行放大，最后通过主板上的CN7排针以及CN10排针对两个绝缘栅双极晶体管IGBT进行控制驱动。从主板CN7排针送来的PWM驱动信号使第一个绝缘栅双极晶体管IGBT的G1和G2导通，此时会在变压器的初级形成一个正半周的电压；而当从主板CN10排针送来的PWM驱动信号时，第二个绝缘栅双极晶体管IGBT的G1和G2也导通，此时会在变压器的初级形成一个负半周的电压[2]。

图1 绝缘栅双极晶体管IGBT等效电路图

通过用数字万用表分别对两个绝缘栅双极晶体管IGBT进行单独检测发现其中一个管子的两个等效二极管均已烧坏击穿，具体表现为E1与C1两个端口失去应有的单向导通性，同时，E2与C2两个端口也失去应有的单向导通性，由此可判断该绝缘栅双极晶体管IGBT已损坏。另外，根据以往维修经验推测判断，烧断的55A保险管在很大程度上是由于绝缘栅双极晶体管IGBT的两个等效二极管烧坏击穿导致。

图2 绝缘栅双极晶体管IGBT实物图

图3 UPS不间断电源逆变器原理图

最后，通过更换一个经检测其性能符合技术资料要求的全新的绝缘栅双极晶体管IGBT以及55A保险管，另外对这两个器件的其他外围电路作进一步的检测、补焊后，确认该UPS不间断电源没有明显故障，对其进行带负载（额定功率为1200W的可调功率电热器）连续24小时通电测试，以此模拟UPS不间断电源在台站实际使用时的真实功率，使UPS不间断电源的负载率大致在10%～30%的范围内。测试结果表明，修复的逆变器能够正常进行逆变输出工作，UPS不间断电源的其他整体性能指标也在正常工作范围内。

五、小结

UPS不间断电源在广播电视发射机房起着不可或缺的重要作用，作为现代电力电子技术领域的典型设备，UPS不间断电源在自然条件艰苦的直属台和县级台站已经使用多年，因此，就难以避免地会出现各种故障，特别是在夏天温度较高的使用环境下。本文主要介绍了UPS不间断电源因绝缘栅双极晶体管IGBT击穿烧坏引起的逆变器无法进行逆变输出的故障及检修方法，对UPS不间断电源的使用和维护具有一定的指导意义。