霍克蓄电池教您逆变器的限流保护和过流保护

　　霍克蓄电池教您逆变器的限流保护和过流保护
UPS是对重要负载实现不间断供电的电源设备,负载对UPS的可靠性提出很高的要求。在UPS的逆变器电路中,限流保护和过流保护对功率器件(IGBT)的可靠工作和使用寿命是至关重要的。文中以单相半桥逆变器为例,探讨了逆变器输出短路保护和桥臂直通过流保护的方案。

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。
　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。
　霍克蓄电池结束语：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。