摘要 UPS逆變器與負載側直接相連,往往會因為用戶負載復雜多變以及用戶接線錯誤造成逆變器發生故障。文中著重介紹了逆變器輸出短路保護方法以及橋臂直通的過流保護方法,以提高UPS的可靠性。

UPS需要實現對關鍵負載長期不間斷供電,這就對UPS的可靠性提出了極高的要求。而在實際應用環境中,用戶側可能因操作失誤或者環境因素等造成UPS輸出短路或逆變器橋臂直通,這時,逆變器的功率管會有大電流通過(本文主要針對IGBT講解,也可以類推應用到MOSFET),假如不對此類故障電流進行檢測并實施有效的保護動作,IGBT的集電極或者漏極電流就會遠超過安全工作區,IGBT會因瞬間大電流導致高功率損耗燒毀,也可能有過電流引起的過電壓擊穿損壞。

以單相半橋逆變器為例(見圖1),分析UPS輸出短路和逆變器橋臂直通的保護方法。

輸出短路保護:需要UPS能重復多次承受短路沖擊電流,在維持200ms后能關閉逆變器,這就需要將短路時流過IGBT的電流控制在ICRM(重復峰值電流,一般ICRM=2 IC nom)內。

橋臂直通保護:例如VT2自身失效短路或者被外在電氣連接短路,在VT1開通時,母線被直接通過VT1短路,此直通電流上升得非常快,一般在10s之內即能上升到IGBT額定電流的數倍,發生橋臂直通后,需要快速檢測出此故障,并將IGBT驅動封鎖并死鎖,直到系統指令復位才允許再次開啟驅動信號。在總壽命周期內,一般IGBT承受此類直通電流不能超過100次。這類直通保護需要在10s內,在IGBT的電流不超過ISC(瞬態峰值電流,一般ISC=4 IC nom)以前關閉驅動,并同時關閉逆變器。

1 輸出短路保護

在標示4處安裝HALL電流傳感器來檢測Lf電感電流,當發生輸出短路時,假如VT1開通,電壓UC1通過VT1和電感Lf短路,電感電流迅速上升,檢測此電流到一定范圍時(大于正常工作電流,小于重復峰值電流ICRM),將VT1和VT2驅動封鎖,此時電感電流ILf開始下降,當電流下降到一定程度,撤銷驅動封鎖信號。假如此過程中輸出一直短路,待下一個驅動到來時,電感電流又開始上升,到短路保護點時,再一次封鎖IGBT的驅動,如此反復200ms后,軟件邏輯可判斷此時發生了輸出短路,將逆變器關閉。

2 橋臂直通的過流保護

首先,為避免由于上管VT1和下管VT2因驅動信號同時為高電平而造成的直通故障,一方面需要在驅動軟件中考慮加入死區,另一方面也需要在硬件電路上對上下管的驅動波形進行硬件互鎖,當上下管驅動電平同時為有效電平時,自動封鎖驅動電壓。

另外,IGBT也有可能因過壓導致瞬間擊穿直通,或者自身雪崩失效短路、由于外部原因引起的電氣連接造成的短路,此時標示2、3、4處都會有大電流通過,目前的各種保護措施都無法徹底避免變換器發生橋臂直通的可能性,那么怎樣實現在發生橋臂直通時及時檢測出直通故障并保護IGBT,以避免IGBT燒毀,就顯得尤為重要。

目前橋臂直通保護電路有兩種類型:

(1) 檢測母線電流

當橋臂母線電流Ip突然增大到一定倍數額定電流時,就認為發生橋臂直通故障,此時封鎖所有IGBT驅動,以消除故障,避免IGBT燒毀。此種檢測電路適用于單相小容量變換器中,對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,在IGBT損壞以前其Ip變化不太明顯,不能施行有效保護。

(2)使用帶有過流檢測的驅動光耦(例如HCPL316J)。

由IGBT的特性可知,IGBT開通時,其C、E兩端電壓與其通過的電流有線性關系,IGBT可在10s內承受其額定電流4倍的峰值電流,當發生直通時,通過檢測UCE的飽和壓降來判斷IGBT過流,從而封鎖驅動信號。

HCPL316J在驅動為高電平有效時,引腳DESAT會以典型值0.25mA的充電電流給電容C充電，當IGBT在導通時發生過流，UCE急劇升高超過設定的UCE保護電壓，DESAT引腳充電電壓大于7V時，HCPL316J會自動封鎖驅動，軟關斷IGBT,從而保護IGBT不再通過大電流。通過公式I△T=C△U,可以計算出DESAT引腳充電電壓達到7V所需要的時間為2.8s,再加上HCPL的動作時間2s,可以保證其保護動作時間總共不超過IGBT所能承受過流極限時間10s,也就能保證在IGBT燒毀以前將其關斷。

二極管VD的功能是傳導正向電流，用于檢測IGBT導通時的保護壓降UCE(DESAT)，關斷時，阻斷主電路的高壓。在IGBT關斷期間,IGBT的C-E之間會有較高的dUCE/dt,進而引起C-E間的電容充電電流。為避免由于充電電流引起的誤觸發,該二極管最好使用快恢復二極管。短路保護的閾值電壓UCE,fault(th),可通過HCPL316J的比較器內設定的參考電壓Uref(Uref=7V)和帶串聯二極管數量來設定。實際加在C-E間的保護壓降保護點電壓

UCE,fault(th)=Uref-nUF

其中n是串聯二極管數,UF是二極管的正向通態壓降。

橋臂直通

3 結束語

為了提高UPS的可靠性,保證其在一些故障情況下能自我保護,必須對逆變器的功率模塊考慮過電流保護措施。首先,應在最短的時間內檢測到過電流故障,分清楚是輸出短路故障還是橋臂直通故障,然后再采取適當的方式保護功率模塊。