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UPS维修中逆变器的限流保护和过流保护

文章来源: BOB官方网站(中国)有限公司:2017-02-07 09:14:45 浏览:

ups维修中逆变器的限流保护和过流保护

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电源的可靠性提出了极高的要求。在实际应用环境中,用户端可能因为操作失误或者环境因素等情况造成UPS电源输出短路;在UPS电源、逆变器、变频器的主电路中,变换器桥臂中的两个IGBT单元,可能会由于驱动信号的紊乱,造成桥臂中的两个IGBT同时导通,从而导致此桥臂将母线短路,形成很大的短路电流,造成IGBT炸毁,机器损坏。另外桥臂中的单个IGBT短路失效时,当另一个IGBT导通时,也会造成桥臂短路。众所周知,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。

故障时,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(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极性晶体管)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。这种大电流故障,由于故障点不同,导致大电流现象和保护方案也就不相同。

本文以单相半桥逆变器为例(见图1),讲述UPS输出短路限流保护和逆变器桥臂直通的过流保护方法。

输出短路限流保护:例如UPS输出发生对地或者相间短路,等效电路为电容C1通过Q1和电感Lf放电,Q1的开关频率一般在4kHZ~20kHZ之间。需要UPS能重复多次承受短路冲击电流,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=2ICnom)。在每个Q1的开关周期内,只要检测到短路电流达到ICRM,即刻关闭Q1,直到下一个开关周期到来再打开Q1。如此反复,在维持200ms后软件能控制关闭驱动信号,同时关闭逆变器。

桥臂直通过流保护: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=4ICnom)以前关闭驱动信号,并同时关闭逆变器。

1 输出短路的限流保护

在图1标示4处安装高精度和响应速度的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,我们通常将这类限流短路保护形象的称作为逐波限流保护。200ms后,短路情况如仍存在,软件逻辑可确认判断此时发生了输出短路,会关闭逆变IGBT的驱动信号,同时将逆变器关闭。

在实际应用中,多数输出短路属于瞬间打火短路,这类短路在打火后即刻短路消除,它真正的短路电流维持小余200ms,UPS不会软件逻辑判断为输出短路,而仅仅依靠本文介绍的硬件短路保护电路实现逐波限流保护即可。对于输出短路超过200ms的接触性短路,在200ms之内的保护均是依靠硬件电路的逐波限流保护,而在超过200ms时,就依靠软件逻辑判断,直接撤销开关器件的驱动信号并关闭逆变器。

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。这类保护电路有很多专业文章介绍,可以用与非门电路容易实现,在此不作介绍。

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1、2、3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。

本文介绍两种桥壁直通过流保护的典型电路:

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。所以此保护电路仅仅适用于小功率UPS的逆变器保护(20kW以下逆变电路)。

方案二: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10us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VCE的饱和压降来判断IGBT过流,从而封锁驱动信号。其通用的电路见图3:

HCPL316J在驱动为高有效时,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,VCE急剧升高超过设定的VCE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2.8uS,再加上HCPL的动作时间2uS,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10uS,也就能保证在IGBT炸毁以前将其关断。

二极管D的功能是传导正向电流,用于检测IGBT导通时的保护压降VCE(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dvCE/dt,进而引起给C-E间的脉冲电容充电电流,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。短路保护的阀值电压VCE,fault(th),可通过HCPL316J的比较器内设定的参考电压Vref(Vref=7V)和带串连二极管数量来设定。实际加在C-E间的保护压降保护点电压

VCE,fault(th)=Vref—n×VF

其中N是串联二极管数,VF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,可以看出在桥臂直通后,由于迅速增大的桥壁直通电流,造成VCE急剧升高,而在VCE达到短路保护的阀值电压VCE,fault(th)时,通过HCPL316J直接封锁驱动信号,使得桥臂直通故障消除,从而达到保护IGBT器件不会由于过流而损坏。

结束语:为了提高UPS电源的可靠性,保证其在一些故障情况下能自我保护,必须对逆变变换器的功率模块考虑限流保护和过流保护措施。应能在最短的时间内检测到大电流故障,需要分清楚是输出短路故障还是桥臂直通故障,然后,由对应的限流保护或者过流保护电路动作,从而达到保护功率模块的目的。

文章来源:ups维修/solve_ups.asp


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