UPS中逆變器故障的保護方案

1、 UPS中逆變器故障的保護方案 2009-2-12 11:47:20 作者：胡小鵬、邵 斌、徐小斐 來源：UPS應(yīng)用 訪問：1204 評論: 0 * 收藏此信息玄推薦給朋友舉報此信息 * UPS逆變器與負載側(cè)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(fā)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。 廣東易事特電源公司胡小鵬邵斌徐小斐 摘要UPS逆變器與負載側(cè)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(fā)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。 UP

2、S需要實現(xiàn)對關(guān)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(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，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(yīng)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(qū)，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。 圖1單相半橋逆變器電路 輸出短路保護：需要UPS能重復多次承受短路沖

3、擊電流，在維持200ms后能關(guān) 閉逆變器，這就需要將短路時流過 IGBT的電流控制在ICRM（重復峰值電流，一般 ICRM=2 IC nom）內(nèi)。 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?？欤话阍?0 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，需要快速檢測出此故障，并將IGBT驅(qū)動封鎖 并死鎖，直到系統(tǒng)指令復位才允許再次開啟驅(qū)動信號。在總壽命周期內(nèi)，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10 ys內(nèi),在IGBT的電流不 超過ISC（瞬態(tài)峰值電流，一般ISC=4

4、 IC nom）以前關(guān)閉驅(qū)動,并同時關(guān)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(fā)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(qū)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(qū)動封鎖信號。假如此過程中輸 出一直短路，待下一個驅(qū)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(qū)動，如此反復200ms后，軟件邏輯可判斷此時發(fā)生了輸出短路，將逆變器關(guān) 閉。 2 橋臂直通的過流保護 首先,為避

5、免由于上管 VT1和下管VT2因驅(qū)動信號同時為高電平而造成的直通 故障，一方面需要在驅(qū)動軟件中考慮加入死區(qū)，另一方面也需要在硬件電路上對上下 管的驅(qū)動波形進行硬件互鎖 ，當上下管驅(qū)動電平同時為有效電平時，自動封鎖驅(qū)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(fā)生橋臂直通的可能性，那么怎樣實現(xiàn)在發(fā)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（見圖2） 當

6、橋臂母線電流Ip突然增大到一定倍數(shù)額定電流時，就認為發(fā)生橋臂直通故障 此時封鎖所有IGBT驅(qū)動，以消除故障譴免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。 % 圖2橋臂直通保護電路 使用帶有過流檢測的驅(qū)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(guān) 系,IGBT可在10s內(nèi)承受其額定電流 4倍的峰值電流,當發(fā)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(qū)動信號。其通用的電路如

7、圖3所示。 V.s v. VuMftb BtSAi 圖3過流檢測通用電路圖 HCPL316J在驅(qū)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(fā)生過流，UCE急劇升高超過設(shè)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(qū)動，軟關(guān)斷IGBT, 從而保護IGBT不再通過大電流。 通過公式I T=CX U,可以計算出DESAT引腳 充電電壓達到7V所需要的時間為 2.8卩s再加上HCPL的動作時間2卩s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的功能是傳導正向電流，用于檢測IGBT導通時的保護壓降 UCE(DESAT)，關(guān)斷時，阻斷主電路的高壓。在IGBT關(guān)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(fā)，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(nèi)設(shè)定的參考電壓Uref(Uref=7V)和帶串聯(lián)二極管數(shù)量來設(shè)定。 實際加在C-E間的保護壓降保護點電壓 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，實際保護波形如圖4所示。 圖4 (CH1:驅(qū)動電壓，CH2:檢