UPS中逆变器的故障保护方案
摘要:UPS(UninterruptiblePowerSupply不间断电源)需要实现对重要负载24小时不间断供电,这就对UPS的可靠性提出了极高的要求。而且在实际应用环境中,用户侧可能因为操作失误或者环境因素等等造成UPS输出短路或者逆变器桥臂直通,这时候逆变器的功率管会有大电流通过(本文主要针...
UPS(Uninterruptible Power Supply不间断电源)需要实现对重要负载24小时不间断供电,这就对UPS的可靠性提出了极高的要求。而且在实际应用环境中,用户侧可能因为操作失误或者环境因素等等造成UPS输出短路或者逆变器桥臂直通,这时候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会远超过安全工作区,IGBT会因为瞬间大电流导致高功率损耗炸毁,也可能有过电流引起的过电压击穿损坏。
本文以单相半桥逆变器为例(见图1),讲述UPS输出短路和逆变器桥臂直通的保护方法。
图1
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 以内(重复峰值电流,一般ICRM=2 IC nom)。
桥臂直通保护:例如Q2自身失效短路或者被外在电气连接短路,在Q1开通时,母线被直接通过Q1短路,此直通电流上升的非常之快,一般在10us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。一般IGBT在总寿命周期内只能承受此类直通电流100次以内。这类直通保护需要在10uS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Q1开通,半边母线UC1通过经过Q1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Q1和Q2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Q1和下管Q2因驱动信号同时为高电平而造成的直通故障,我们一方面需要在驱动发波的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,自动封锁驱动波形。
另外,IGBT也有可能过压导致瞬间击穿直通,或者自身雪崩失效短路,也可能由于外部原因引起的电气连接造成的短路,此时标示2、3、4处都会有大电流流过,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能及时检测出直通故障并保护IGBT,以避免IGBT炸毁,就显得尤为重要。
目前峭壁直通保护电路有两种类型:
方案一: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的额定电流时,认为发生桥臂直通故障,此时封锁所有IGBT驱动,以消除桥臂直通故障,避免IGBT炸毁。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,导致不能有效保护。
图2
http://www.21dianyuan.com/supply/supplyhome/company.php?company_id=1544
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