UPS中逆變器故障的保護(hù)方案

1、 UPS中逆變器故障的保護(hù)方案 2009-2-12 11:47:20 作者：胡小鵬、邵 斌、徐小斐 來(lái)源：UPS應(yīng)用 訪問(wèn)：1204 評(píng)論: 0 * 收藏此信息玄推薦給朋友舉報(bào)此信息 * UPS逆變器與負(fù)載側(cè)直接相連，往往會(huì)因?yàn)橛脩糌?fù)載復(fù)雜多變以及用戶接線錯(cuò)誤造 成逆變器發(fā)生故障。文中著重介紹了逆變器輸出短路保護(hù)方法以及橋臂直通的過(guò)流 保護(hù)方法，以提高UPS的可靠性。 廣東易事特電源公司胡小鵬邵斌徐小斐 摘要UPS逆變器與負(fù)載側(cè)直接相連，往往會(huì)因?yàn)橛脩糌?fù)載復(fù)雜多變以及用戶 接線錯(cuò)誤造成逆變器發(fā)生故障。文中著重介紹了逆變器輸出短路保護(hù)方法以及橋臂 直通的過(guò)流保護(hù)方法，以提高UPS的可靠性。 UP

2、S需要實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵負(fù)載長(zhǎng)期不間斷供電，這就對(duì)UPS的可靠性提出了極高的 要求。而在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，用戶側(cè)可能因操作失誤或者環(huán)境因素等造成UPS輸出 短路或逆變器橋臂直通，這時(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，也可以類推應(yīng)用到 MOSFET），假如不對(duì)此類故障電流進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)施有效的 保護(hù)動(dòng)作，IGBT的集電極或者漏極電流就會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)安全工作區(qū)，IGBT會(huì)因瞬間大電 流導(dǎo)致高功率損耗燒毀，也可能有過(guò)電流引起的過(guò)電壓擊穿損壞。 以單相半橋逆變器為例（見(jiàn)圖1），分析UPS輸出短路和逆變器橋臂直通的保護(hù) 方法。 圖1單相半橋逆變器電路 輸出短路保護(hù)：需要UPS能重復(fù)多次承受短路沖

3、擊電流，在維持200ms后能關(guān) 閉逆變器，這就需要將短路時(shí)流過(guò) IGBT的電流控制在ICRM（重復(fù)峰值電流，一般 ICRM=2 IC nom）內(nèi)。 橋臂直通保護(hù)：例如VT2自身失效短路或者被外在電氣連接短路，在VT1開(kāi)通時(shí)， 母線被直接通過(guò) VT1短路,此直通電流上升得非常快，一般在10 us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)。在總壽命周期內(nèi)，一般IGBT承 受此類直通電流不能超過(guò) 100次。這類直通保護(hù)需要在10 ys內(nèi),在IGBT的電流不 超過(guò)ISC（瞬態(tài)峰值電流，一般ISC=4

4、 IC nom）以前關(guān)閉驅(qū)動(dòng),并同時(shí)關(guān)閉逆變器。 1 輸出短路保護(hù) 在標(biāo)示4處安裝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 VT1開(kāi)通，電壓UC1通過(guò)VT1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VT1和VT2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)200ms后，軟件邏輯可判斷此時(shí)發(fā)生了輸出短路，將逆變器關(guān) 閉。 2 橋臂直通的過(guò)流保護(hù) 首先,為避

5、免由于上管 VT1和下管VT2因驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)為高電平而造成的直通 故障，一方面需要在驅(qū)動(dòng)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)電 壓。 另外,IGBT也有可能因過(guò)壓導(dǎo)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(shí)標(biāo)示2、3、4處都會(huì)有大電流通過(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)及時(shí)檢測(cè)出直通故障并保護(hù)IGBT,以避免IGBT燒毀，就顯得尤為重要。 目前橋臂直通保護(hù)電路有兩種類型 （1）檢測(cè)母線電流（見(jiàn)圖2） 當(dāng)

6、橋臂母線電流Ip突然增大到一定倍數(shù)額定電流時(shí)，就認(rèn)為發(fā)生橋臂直通故障 此時(shí)封鎖所有IGBT驅(qū)動(dòng)，以消除故障譴免IGBT燒毀。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，不能施行有效保護(hù)。 % 圖2橋臂直通保護(hù)電路 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10s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)UCE 的飽和壓降來(lái)判斷IGBT過(guò)流，從而封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其通用的電路如

7、圖3所示。 V.s v. VuMftb BtSAi 圖3過(guò)流檢測(cè)通用電路圖 HCPL316J在驅(qū)動(dòng)為高電平有效時(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，UCE急劇升高超過(guò)設(shè)定的 UCE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=CX 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 2.8卩s再加上HCPL的動(dòng)作時(shí)間2卩s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10卩s也就能保證在IGBT燒 毀以前將其關(guān)

8、斷。 二極管VD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 UCE(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dUCE/dt,進(jìn)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(fā)，該二極管最好使用快恢復(fù)二極管。短路保護(hù)的閾值電壓 UCE,fault(th),可通過(guò) HCPL316J的比較器內(nèi)設(shè)定的參考電壓Uref(Uref=7V)和帶串聯(lián)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 UCE,fault(th)=Uref- n UF 其中n是串聯(lián)二極管數(shù),UF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所示。 圖4 (CH1:驅(qū)動(dòng)電壓，CH2:檢