摘要 UPS逆变器与负载侧直接相连,往往会因为用户负载复杂多变以及用户接线错误造成逆变器发生故障。文中着重介绍了逆变器输出短路保护方法以及桥臂直通的过流保护方法,以提高UPS的可靠性。 UPS需要实现对关键负载长期不间断供电,这就对UPS的可靠性提出了极高的要求。而在实际应用环境中,用户侧可能因操作失误或者环境因素等造成UPS输出短路或逆变器桥臂直通,这时,逆变器的功率管会有大电流通过(本文主要针对IGBT讲解,也可以类推应用到MOSFET),假如不对此类故障电流进行检测并实施有效的保护动作,IGBT的集电极或者漏极电流就会远超过安全工作区,IGBT会因瞬间大电流导致高功率损耗烧毁,也可能有过电流引起的过电压击穿损坏。
摘要 UPS逆变器与负载侧直接相连,往往会因为用户负载复杂多变以及用户接线错误造成逆变器发生故障。文中着重介绍了逆变器输出短路保护方法以及桥臂直通的过流保护方法,以提高UPS的可靠性。
UPS需要实现对关键负载长期不间断供电,这就对UPS的可靠性提出了极高的要求。而在实际应用环境中,用户侧可能因操作失误或者环境因素等造成UPS输出短路或逆变器桥臂直通,这时,逆变器的功率管会有大电流通过(本文主要针对IGBT讲解,也可以类推应用到MOSFET),假如不对此类故障电流进行检测并实施有效的保护动作,IGBT的集电极或者漏极电流就会远超过安全工作区,IGBT会因瞬间大电流导致高功率损耗烧毁,也可能有过电流引起的过电压击穿损坏。
以单相半桥逆变器为例(见图1),分析UPS输出短路和逆变器桥臂直通的保护方法。
图1 单相半桥逆变器电路
输出短路保护:需要UPS能重复多次承受短路冲击电流,在维持200ms后能关闭逆变器,这就需要将短路时流过IGBT的电流控制在ICRM(重复峰值电流,一般ICRM=2 IC nom)内。
桥臂直通保护:例如VT2自身失效短路或者被外在电气连接短路,在VT1开通时,母线被直接通过VT1短路,此直通电流上升得非常快,一般在10μs之内即能上升到IGBT额定电流的数倍,发生桥臂直通后,需要快速检测出此故障,并将IGBT驱动封锁并死锁,直到系统指令复位才允许再次开启驱动信号。在总寿命周期内,一般IGBT承受此类直通电流不能超过100次。这类直通保护需要在10μs内,在IGBT的电流不超过ISC(瞬态峰值电流,一般ISC=4 IC nom)以前关闭驱动,并同时关闭逆变器。
1 输出短路保护
在标示4处安装HALL电流传感器来检测Lf电感电流,当发生输出短路时,假如VT1开通,电压UC1通过VT1和电感Lf短路,电感电流迅速上升,检测此电流到一定范围时(大于正常工作电流,小于重复峰值电流ICRM),将VT1和VT2驱动封锁,此时电感电流ILf开始下降,当电流下降到一定程度,撤销驱动封锁信号。假如此过程中输出一直短路,待下一个驱动到来时,电感电流又开始上升,到短路保护点时,再一次封锁IGBT的驱动,如此反复200ms后,软件逻辑可判断此时发生了输出短路,将逆变器关闭。
2 桥臂直通的过流保护
首先,为避免由于上管VT1和下管VT2因驱动信号同时为高电平而造成的直通故障,一方面需要在驱动软件中考虑加入死区,另一方面也需要在硬件电路上对上下管的驱动波形进行硬件互锁,当上下管驱动电平同时为有效电平时,自动封锁驱动电压。
另外,IGBT也有可能因过压导致瞬间击穿直通,或者自身雪崩失效短路、由于外部原因引起的电气连接造成的短路,此时标示2、3、4处都会有大电流通过,目前的各种保护措施都无法彻底避免变换器发生桥臂直通的可能性,那么怎样实现在发生桥臂直通时及时检测出直通故障并保护IGBT,以避免IGBT烧毁,就显得尤为重要。
目前桥臂直通保护电路有两种类型:
(1) 检测母线电流(见图2)
当桥臂母线电流Ip突然增大到一定倍数额定电流时,就认为发生桥臂直通故障,此时封锁所有IGBT驱动,以消除故障,避免IGBT烧毁。此种检测电路适用于单相小容量变换器中,对于三相变换器或者大容量变换器,由于母线额定电流较大,单相桥臂直通时,在IGBT损坏以前其Ip变化不太明显,不能施行有效保护。
图2 桥臂直通保护电路
(2)使用带有过流检测的驱动光耦(例如HCPL316J)。
由IGBT的特性可知,IGBT开通时,其C、E两端电压与其通过的电流有线性关系,IGBT可在10μs内承受其额定电流4倍的峰值电流,当发生直通时,通过检测UCE的饱和压降来判断IGBT过流,从而封锁驱动信号。其通用的电路如图3所示。
图3 过流检测通用电路图
HCPL316J在驱动为高电平有效时,引脚DESAT会以典型值0.25mA的充电电流给电容C充电，当IGBT在导通时发生过流，UCE急剧升高超过设定的UCE保护电压，DESAT引脚充电电压大于7V时，HCPL316J会自动封锁驱动，软关断IGBT,从而保护IGBT不再通过大电流。通过公式I×△T=C×△U,可以计算出DESAT引脚充电电压达到7V所需要的时间为2.8μs,再加上HCPL的动作时间2μs,可以保证其保护动作时间总共不超过IGBT所能承受过流极限时间10μs,也就能保证在IGBT烧毁以前将其关断。
二极管VD的功能是传导正向电流，用于检测IGBT导通时的保护压降UCE(DESAT)，关断时，阻断主电路的高压。在IGBT关断期间,IGBT的C-E之间会有较高的dUCE/dt,进而引起C-E间的电容充电电流。为避免由于充电电流引起的误触发,该二极管最好使用快恢复二极管。短路保护的阈值电压UCE,fault(th),可通过HCPL316J的比较器内设定的参考电压Uref(Uref=7V)和带串联二极管数量来设定。实际加在C-E间的保护压降保护点电压
UCE,fault(th)=Uref-n×UF
其中n是串联二极管数,UF是二极管的正向通态压降。
桥臂直通时,实际保护波形如图4所示。
图4 (CH1:驱动电压,CH2:检测到的UCE(DESAT))
3 结束语
为了提高UPS的可靠性,保证其在一些故障情况下能自我保护,必须对逆变器的功率模块考虑过电流保护措施。首先,应在最短的时间内检测到过电流故障,分清楚是输出短路故障还是桥臂直通故障,然后再采取适当的方式保护功率模块。
