ups維修中逆變器的限流保護和過流保護

UPS（Uninterruptible Power Supply不間斷電源）需要實現(xiàn)對重要負載24小時不間斷供電，這就對UPS電源的可靠性提出了極高的要求。在實際應用環(huán)境中，用戶端可能因為操作失誤或者環(huán)境因素等情況造成UPS電源輸出短路；在UPS電源、逆變器、變頻器的主電路中，變換器橋臂中的兩個IGBT單元，可能會由于驅動信號的紊亂，造成橋臂中的兩個IGBT同時導通，從而導致此橋臂將母線短路，形成很大的短路電流，造成IGBT炸毀，機器損壞。另外橋臂中的單個IGBT短路失效時，當另一個IGBT導通時，也會造成橋臂短路。眾所周知，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)生橋臂直通時能及時檢測出直通故障并保護IGBT，以避免IGBT炸毀，就顯得尤為重要。

故障時，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(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極性晶體管)的集電極或者漏極電流會遠超過安全工作區(qū)，IGBT會因為瞬間大電流導致高功率損耗炸毀，也可能有過電流引起的過電壓擊穿損壞。這種大電流故障，由于故障點不同，導致大電流現(xiàn)象和保護方案也就不相同。

本文以單相半橋逆變器為例（見圖1），講述UPS輸出短路限流保護和逆變器橋臂直通的過流保護方法。

輸出短路限流保護：例如UPS輸出發(fā)生對地或者相間短路，等效電路為電容C1通過Q1和電感Lf放電，Q1的開關頻率一般在4kHZ～20kHZ之間。需要UPS能重復多次承受短路沖擊電流，這就需要將短路時流過IGBT的電流控制在ICRM以內（重復峰值電流，一般ICRM=2ICnom）。在每個Q1的開關周期內，只要檢測到短路電流達到ICRM，即刻關閉Q1，直到下一個開關周期到來再打開Q1。如此反復，在維持200ms后軟件能控制關閉驅動信號，同時關閉逆變器。

橋臂直通過流保護：例如Q2自身失效短路或者被外在電氣連接短路，在Q1開通時，母線被直接通過Q1短路，此直通電流上升的非常之快，一般在10us之內即能上升到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驅動封鎖并死鎖，直到系統(tǒng)指令復位才允許再次開啟驅動信號。一般IGBT在總壽命周期內只能承受此類直通電流100次以內。這類直通保護需要在10uS內，在IGBT的電流不超過ISC（瞬態(tài)峰值電流，一般ISC=4ICnom）以前關閉驅動信號，并同時關閉逆變器。

1 輸出短路的限流保護

在圖1標示4處安裝高精度和響應速度的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Q1開通，半邊母線UC1通過經過Q1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Q1和Q2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，我們通常將這類限流短路保護形象的稱作為逐波限流保護。200ms后，短路情況如仍存在，軟件邏輯可確認判斷此時發(fā)生了輸出短路，會關閉逆變IGBT的驅動信號，同時將逆變器關閉。

在實際應用中，多數(shù)輸出短路屬于瞬間打火短路，這類短路在打火后即刻短路消除，它真正的短路電流維持小余200ms，UPS不會軟件邏輯判斷為輸出短路，而僅僅依靠本文介紹的硬件短路保護電路實現(xiàn)逐波限流保護即可。對于輸出短路超過200ms的接觸性短路，在200ms之內的保護均是依靠硬件電路的逐波限流保護，而在超過200ms時，就依靠軟件邏輯判斷，直接撤銷開關器件的驅動信號并關閉逆變器。

2 橋臂直通的過流保護

首先，為避免由于上管Q1和下管Q2因驅動信號同時為高電平而造成的直通故障，我們一方面需要在驅動發(fā)波的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，自動封鎖驅動波形。這類保護電路有很多專業(yè)文章介紹，可以用與非門電路容易實現(xiàn)，在此不作介紹。

另外，IGBT也有可能過壓導致瞬間擊穿直通，或者自身雪崩失效短路，也可能由于外部原因引起的電氣連接造成的短路，此時標示1、2、3處都會有大電流流過，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)生橋臂直通時能及時檢測出直通故障并保護IGBT，以避免IGBT炸毀，就顯得尤為重要。

本文介紹兩種橋壁直通過流保護的典型電路：

方案一：檢測母線電流（見圖2）：當橋臂母線電流Ip突然增大到一定倍數(shù)的額定電流時，認為發(fā)生橋臂直通故障，此時封鎖所有IGBT驅動，以消除橋臂直通故障，避免IGBT炸毀。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，導致不能有效保護。所以此保護電路僅僅適用于小功率UPS的逆變器保護（20kW以下逆變電路）。

方案二：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10us內承受其額定電流4倍的峰值電流，當發(fā)生直通時，通過檢測VCE的飽和壓降來判斷IGBT過流，從而封鎖驅動信號。其通用的電路見圖3：

HCPL316J在驅動為高有效時，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,VCE急劇升高超過設定的VCE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2.8uS,再加上HCPL的動作時間2uS，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10uS,也就能保證在IGBT炸毀以前將其關斷。

二極管D的功能是傳導正向電流，用于檢測IGBT導通時的保護壓降VCE(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dvCE/dt，進而引起給C-E間的脈沖電容充電電流，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。短路保護的閥值電壓VCE,fault(th)，可通過HCPL316J的比較器內設定的參考電壓Vref(Vref=7V)和帶串連二極管數(shù)量來設定。實際加在C-E間的保護壓降保護點電壓

VCE,fault(th)=Vref—n×VF

其中N是串聯(lián)二極管數(shù)，VF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，可以看出在橋臂直通后，由于迅速增大的橋壁直通電流，造成VCE急劇升高，而在VCE達到短路保護的閥值電壓VCE,fault(th)時，通過HCPL316J直接封鎖驅動信號，使得橋臂直通故障消除，從而達到保護IGBT器件不會由于過流而損壞。

結束語：為了提高UPS電源的可靠性，保證其在一些故障情況下能自我保護，必須對逆變變換器的功率模塊考慮限流保護和過流保護措施。應能在最短的時間內檢測到大電流故障，需要分清楚是輸出短路故障還是橋臂直通故障，然后，由對應的限流保護或者過流保護電路動作，從而達到保護功率模塊的目的。

文章來源：ups維修http://www.whjdnk.com/solve_ups.asp