ups維修中逆變器的限流保護(hù)和過(guò)流保護(hù)

UPS（Uninterruptible Power Supply不間斷電源）需要實(shí)現(xiàn)對(duì)重要負(fù)載24小時(shí)不間斷供電，這就對(duì)UPS電源的可靠性提出了極高的要求。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，用戶端可能因?yàn)椴僮魇д`或者環(huán)境因素等情況造成UPS電源輸出短路；在UPS電源、逆變器、變頻器的主電路中，變換器橋臂中的兩個(gè)IGBT單元，可能會(huì)由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的紊亂，造成橋臂中的兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通，從而導(dǎo)致此橋臂將母線短路，形成很大的短路電流，造成IGBT炸毀，機(jī)器損壞。另外橋臂中的單個(gè)IGBT短路失效時(shí)，當(dāng)另一個(gè)IGBT導(dǎo)通時(shí)，也會(huì)造成橋臂短路。眾所周知，目前的各種保護(hù)措施都無(wú)法徹底避免變換器發(fā)生橋臂直通的可能性，那么怎樣實(shí)現(xiàn)在發(fā)生橋臂直通時(shí)能及時(shí)檢測(cè)出直通故障并保護(hù)IGBT，以避免IGBT炸毀，就顯得尤為重要。

故障時(shí)，逆變器的功率管會(huì)有大電流通過(guò)（本文主要針對(duì)IGBT講解，也可以類(lèi)推應(yīng)用到MOSFET），假如不對(duì)此類(lèi)故障電流進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)施有效的保護(hù)動(dòng)作，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極性晶體管)的集電極或者漏極電流會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)安全工作區(qū)，IGBT會(huì)因?yàn)樗查g大電流導(dǎo)致高功率損耗炸毀，也可能有過(guò)電流引起的過(guò)電壓擊穿損壞。這種大電流故障，由于故障點(diǎn)不同，導(dǎo)致大電流現(xiàn)象和保護(hù)方案也就不相同。

本文以單相半橋逆變器為例（見(jiàn)圖1），講述UPS輸出短路限流保護(hù)和逆變器橋臂直通的過(guò)流保護(hù)方法。

輸出短路限流保護(hù)：例如UPS輸出發(fā)生對(duì)地或者相間短路，等效電路為電容C1通過(guò)Q1和電感Lf放電，Q1的開(kāi)關(guān)頻率一般在4kHZ～20kHZ之間。需要UPS能重復(fù)多次承受短路沖擊電流，這就需要將短路時(shí)流過(guò)IGBT的電流控制在ICRM以內(nèi)（重復(fù)峰值電流，一般ICRM=2ICnom）。在每個(gè)Q1的開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，只要檢測(cè)到短路電流達(dá)到ICRM，即刻關(guān)閉Q1，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期到來(lái)再打開(kāi)Q1。如此反復(fù)，在維持200ms后軟件能控制關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)關(guān)閉逆變器。

橋臂直通過(guò)流保護(hù)：例如Q2自身失效短路或者被外在電氣連接短路，在Q1開(kāi)通時(shí)，母線被直接通過(guò)Q1短路，此直通電流上升的非常之快，一般在10us之內(nèi)即能上升到IGBT額定電流的數(shù)倍，發(fā)生橋臂直通后，需要快速檢測(cè)出此故障，并將IGBT驅(qū)動(dòng)封鎖并死鎖，直到系統(tǒng)指令復(fù)位才允許再次開(kāi)啟驅(qū)動(dòng)信號(hào)。一般IGBT在總壽命周期內(nèi)只能承受此類(lèi)直通電流100次以內(nèi)。這類(lèi)直通保護(hù)需要在10uS內(nèi)，在IGBT的電流不超過(guò)ISC（瞬態(tài)峰值電流，一般ISC=4ICnom）以前關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并同時(shí)關(guān)閉逆變器。

1 輸出短路的限流保護(hù)

在圖1標(biāo)示4處安裝高精度和響應(yīng)速度的HALL電流傳感器來(lái)檢測(cè)Lf電感電流，當(dāng)發(fā)生輸出短路時(shí)，假如Q1開(kāi)通，半邊母線UC1通過(guò)經(jīng)過(guò)Q1和電感Lf短路，電感電流迅速上升，檢測(cè)此電流到一定范圍時(shí)（大于正常工作電流，小于重復(fù)峰值電流ICRM），將Q1和Q2驅(qū)動(dòng)封鎖，此時(shí)電感電流ILf開(kāi)始下降，當(dāng)電流下降到一定程度，撤銷(xiāo)驅(qū)動(dòng)封鎖信號(hào)。假如此過(guò)程中輸出一直短路，待下一個(gè)驅(qū)動(dòng)到來(lái)時(shí)，電感電流又開(kāi)始上升，到短路保護(hù)點(diǎn)時(shí)，再一次封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng)，如此反復(fù)，我們通常將這類(lèi)限流短路保護(hù)形象的稱(chēng)作為逐波限流保護(hù)。200ms后，短路情況如仍存在，軟件邏輯可確認(rèn)判斷此時(shí)發(fā)生了輸出短路，會(huì)關(guān)閉逆變IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)將逆變器關(guān)閉。

在實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)輸出短路屬于瞬間打火短路，這類(lèi)短路在打火后即刻短路消除，它真正的短路電流維持小余200ms，UPS不會(huì)軟件邏輯判斷為輸出短路，而僅僅依靠本文介紹的硬件短路保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)逐波限流保護(hù)即可。對(duì)于輸出短路超過(guò)200ms的接觸性短路，在200ms之內(nèi)的保護(hù)均是依靠硬件電路的逐波限流保護(hù)，而在超過(guò)200ms時(shí)，就依靠軟件邏輯判斷，直接撤銷(xiāo)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并關(guān)閉逆變器。

2 橋臂直通的過(guò)流保護(hù)

首先，為避免由于上管Q1和下管Q2因驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)為高電平而造成的直通故障，我們一方面需要在驅(qū)動(dòng)發(fā)波的軟件中考慮加入死區(qū)，另一方面也需要在硬件電路上對(duì)上下管的驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行硬件互鎖，當(dāng)上下管驅(qū)動(dòng)電平同時(shí)為有效電平時(shí)，自動(dòng)封鎖驅(qū)動(dòng)波形。這類(lèi)保護(hù)電路有很多專(zhuān)業(yè)文章介紹，可以用與非門(mén)電路容易實(shí)現(xiàn)，在此不作介紹。

另外，IGBT也有可能過(guò)壓導(dǎo)致瞬間擊穿直通，或者自身雪崩失效短路，也可能由于外部原因引起的電氣連接造成的短路，此時(shí)標(biāo)示1、2、3處都會(huì)有大電流流過(guò)，目前的各種保護(hù)措施都無(wú)法徹底避免變換器發(fā)生橋臂直通的可能性，那么怎樣實(shí)現(xiàn)在發(fā)生橋臂直通時(shí)能及時(shí)檢測(cè)出直通故障并保護(hù)IGBT，以避免IGBT炸毀，就顯得尤為重要。

本文介紹兩種橋壁直通過(guò)流保護(hù)的典型電路：

方案一：檢測(cè)母線電流（見(jiàn)圖2）：當(dāng)橋臂母線電流Ip突然增大到一定倍數(shù)的額定電流時(shí)，認(rèn)為發(fā)生橋臂直通故障，此時(shí)封鎖所有IGBT驅(qū)動(dòng)，以消除橋臂直通故障，避免IGBT炸毀。此種檢測(cè)電路適用于單相小容量變換器中，對(duì)于三相變換器或者大容量變換器，由于母線額定電流較大，單相橋臂直通時(shí)，在IGBT損壞以前其Ip變化不太明顯，導(dǎo)致不能有效保護(hù)。所以此保護(hù)電路僅僅適用于小功率UPS的逆變器保護(hù)（20kW以下逆變電路）。

方案二：使用帶有過(guò)流檢測(cè)的驅(qū)動(dòng)光耦（例如HCPL316J）：由IGBT的特性可知，IGBT開(kāi)通時(shí)，其C、E兩端電壓與其通過(guò)的電流有線性關(guān)系，IGBT可在10us內(nèi)承受其額定電流4倍的峰值電流，當(dāng)發(fā)生直通時(shí)，通過(guò)檢測(cè)VCE的飽和壓降來(lái)判斷IGBT過(guò)流，從而封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其通用的電路見(jiàn)圖3：

HCPL316J在驅(qū)動(dòng)為高有效時(shí)，引腳DESAT會(huì)以典型值0.25mA的充電電流給電容C充電，當(dāng)IGBT在導(dǎo)通時(shí)發(fā)生過(guò)流,VCE急劇升高超過(guò)設(shè)定的VCE保護(hù)電壓，DESAT引腳充電電壓大于7V時(shí)，HCPL316J會(huì)自動(dòng)封鎖驅(qū)動(dòng)，軟關(guān)斷IGBT，從而保護(hù)IGBT不再通過(guò)大電流。通過(guò)公式I*△T=C*△U可以計(jì)算出DESAT引腳充電電壓達(dá)到7V所需要的時(shí)間為2.8uS,再加上HCPL的動(dòng)作時(shí)間2uS，可以保證其保護(hù)動(dòng)作時(shí)間總共不超過(guò)IGBT所能承受過(guò)流極限時(shí)間10uS,也就能保證在IGBT炸毀以前將其關(guān)斷。

二極管D的功能是傳導(dǎo)正向電流，用于檢測(cè)IGBT導(dǎo)通時(shí)的保護(hù)壓降VCE(DESAT)，關(guān)斷時(shí)，阻斷主電路的高壓。在IGBT關(guān)斷期間，IGBT的C-E之間會(huì)有較高的dvCE/dt，進(jìn)而引起給C-E間的脈沖電容充電電流，為避免由于充電電流引起的誤觸發(fā)，該二極管最好使用快恢復(fù)二極管。短路保護(hù)的閥值電壓VCE,fault(th)，可通過(guò)HCPL316J的比較器內(nèi)設(shè)定的參考電壓Vref(Vref=7V)和帶串連二極管數(shù)量來(lái)設(shè)定。實(shí)際加在C-E間的保護(hù)壓降保護(hù)點(diǎn)電壓

VCE,fault(th)=Vref—n×VF

其中N是串聯(lián)二極管數(shù)，VF是二極管的正向通態(tài)壓降。

橋臂直通時(shí)，實(shí)際保護(hù)波形如圖4，可以看出在橋臂直通后，由于迅速增大的橋壁直通電流，造成VCE急劇升高，而在VCE達(dá)到短路保護(hù)的閥值電壓VCE,fault(th)時(shí)，通過(guò)HCPL316J直接封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得橋臂直通故障消除，從而達(dá)到保護(hù)IGBT器件不會(huì)由于過(guò)流而損壞。

結(jié)束語(yǔ)：為了提高UPS電源的可靠性，保證其在一些故障情況下能自我保護(hù)，必須對(duì)逆變變換器的功率模塊考慮限流保護(hù)和過(guò)流保護(hù)措施。應(yīng)能在最短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到大電流故障，需要分清楚是輸出短路故障還是橋臂直通故障，然后，由對(duì)應(yīng)的限流保護(hù)或者過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作，從而達(dá)到保護(hù)功率模塊的目的。

文章來(lái)源：ups維修http:///solve_ups.asp