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UPS維修中逆變器的限流保護(hù)和過流保護(hù)

文章來源:admin 發(fā)布時(shí)間:2017-02-07 09:14:45 瀏覽:0

ups維修中逆變器的限流保護(hù)和過流保護(hù)

UPS(Uninterruptible Power Supply不間斷電源)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)重要負(fù)載24小時(shí)不間斷供電,這就對(duì)UPS電源的可靠性提出了極高的要求。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中,用戶端可能因?yàn)椴僮魇д`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(gè)IGBT單元,可能會(huì)由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的紊亂,造成橋臂中的兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通,從而導(dǎo)致此橋臂將母線短路,形成很大的短路電流,造成IGBT炸毀,機(jī)器損壞。另外橋臂中的單個(gè)IGBT短路失效時(shí),當(dāng)另一個(gè)IGBT導(dǎo)通時(shí),也會(huì)造成橋臂短路。眾所周知,目前的各種保護(hù)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(shí)現(xiàn)在發(fā)生橋臂直通時(shí)能及時(shí)檢測(cè)出直通故障并保護(hù)IGBT,以避免IGBT炸毀,就顯得尤為重要。

故障時(shí),逆變器的功率管會(huì)有大電流通過(本文主要針對(duì)IGBT講解,也可以類推應(yīng)用到MOSFET),假如不對(duì)此類故障電流進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)施有效的保護(hù)動(dòng)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(huì)遠(yuǎn)超過安全工作區(qū),IGBT會(huì)因?yàn)樗查g大電流導(dǎo)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(diǎn)不同,導(dǎo)致大電流現(xiàn)象和保護(hù)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(hù)和逆變器橋臂直通的過流保護(hù)方法。

輸出短路限流保護(hù):例如UPS輸出發(fā)生對(duì)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(guān)頻率一般在4kHZ~20kHZ之間。需要UPS能重復(fù)多次承受短路沖擊電流,這就需要將短路時(shí)流過IGBT的電流控制在ICRM以內(nèi)(重復(fù)峰值電流,一般ICRM=2ICnom)。在每個(gè)Q1的開關(guān)周期內(nèi),只要檢測(cè)到短路電流達(dá)到ICRM,即刻關(guān)閉Q1,直到下一個(gè)開關(guān)周期到來再打開Q1。如此反復(fù),在維持200ms后軟件能控制關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào),同時(shí)關(guān)閉逆變器。

橋臂直通過流保護(hù):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(shí),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(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(cè)出此故障,并將IGBT驅(qū)動(dòng)封鎖并死鎖,直到系統(tǒng)指令復(fù)位才允許再次開啟驅(qū)動(dòng)信號(hào)。一般IGBT在總壽命周期內(nèi)只能承受此類直通電流100次以內(nèi)。這類直通保護(hù)需要在10uS內(nèi),在IGBT的電流不超過ISC(瞬態(tài)峰值電流,一般ISC=4ICnom)以前關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào),并同時(shí)關(guān)閉逆變器。

1 輸出短路的限流保護(hù)

在圖1標(biāo)示4處安裝高精度和響應(yīng)速度的HALL電流傳感器來檢測(cè)Lf電感電流,當(dāng)發(fā)生輸出短路時(shí),假如Q1開通,半邊母線UC1通過經(jīng)過Q1和電感Lf短路,電感電流迅速上升,檢測(cè)此電流到一定范圍時(shí)(大于正常工作電流,小于重復(fù)峰值電流ICRM),將Q1和Q2驅(qū)動(dòng)封鎖,此時(shí)電感電流ILf開始下降,當(dāng)電流下降到一定程度,撤銷驅(qū)動(dòng)封鎖信號(hào)。假如此過程中輸出一直短路,待下一個(gè)驅(qū)動(dòng)到來時(shí),電感電流又開始上升,到短路保護(hù)點(diǎn)時(shí),再一次封鎖IGBT的驅(qū)動(dòng),如此反復(fù),我們通常將這類限流短路保護(hù)形象的稱作為逐波限流保護(hù)。200ms后,短路情況如仍存在,軟件邏輯可確認(rèn)判斷此時(shí)發(fā)生了輸出短路,會(huì)關(guān)閉逆變IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào),同時(shí)將逆變器關(guān)閉。

在實(shí)際應(yīng)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(huì)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(hù)電路實(shí)現(xiàn)逐波限流保護(hù)即可。對(duì)于輸出短路超過200ms的接觸性短路,在200ms之內(nèi)的保護(hù)均是依靠硬件電路的逐波限流保護(hù),而在超過200ms時(shí),就依靠軟件邏輯判斷,直接撤銷開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并關(guān)閉逆變器。

2 橋臂直通的過流保護(hù)

首先,為避免由于上管Q1和下管Q2因驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)為高電平而造成的直通故障,我們一方面需要在驅(qū)動(dòng)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(duì)上下管的驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行硬件互鎖,當(dāng)上下管驅(qū)動(dòng)電平同時(shí)為有效電平時(shí),自動(dòng)封鎖驅(qū)動(dòng)波形。這類保護(hù)電路有很多專業(yè)文章介紹,可以用與非門電路容易實(shí)現(xiàn),在此不作介紹。

另外,IGBT也有可能過壓導(dǎo)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(shí)標(biāo)示1、2、3處都會(huì)有大電流流過,目前的各種保護(hù)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(shí)現(xiàn)在發(fā)生橋臂直通時(shí)能及時(shí)檢測(cè)出直通故障并保護(hù)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(hù)的典型電路:

方案一:檢測(cè)母線電流(見圖2):當(dāng)橋臂母線電流Ip突然增大到一定倍數(shù)的額定電流時(shí),認(rèn)為發(fā)生橋臂直通故障,此時(shí)封鎖所有IGBT驅(qū)動(dòng),以消除橋臂直通故障,避免IGBT炸毀。此種檢測(cè)電路適用于單相小容量變換器中,對(duì)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(shí),在IGBT損壞以前其Ip變化不太明顯,導(dǎo)致不能有效保護(hù)。所以此保護(hù)電路僅僅適用于小功率UPS的逆變器保護(hù)(20kW以下逆變電路)。

方案二:使用帶有過流檢測(cè)的驅(qū)動(dòng)光耦(例如HCPL316J):由IGBT的特性可知,IGBT開通時(shí),其C、E兩端電壓與其通過的電流有線性關(guān)系,IGBT可在10us內(nèi)承受其額定電流4倍的峰值電流,當(dāng)發(fā)生直通時(shí),通過檢測(cè)VCE的飽和壓降來判斷IGBT過流,從而封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其通用的電路見圖3:

HCPL316J在驅(qū)動(dòng)為高有效時(shí),引腳DESAT會(huì)以典型值0.25mA的充電電流給電容C充電,當(dāng)IGBT在導(dǎo)通時(shí)發(fā)生過流,VCE急劇升高超過設(shè)定的VCE保護(hù)電壓,DESAT引腳充電電壓大于7V時(shí),HCPL316J會(huì)自動(dòng)封鎖驅(qū)動(dòng),軟關(guān)斷IGBT,從而保護(hù)IGBT不再通過大電流。通過公式I*△T=C*△U可以計(jì)算出DESAT引腳充電電壓達(dá)到7V所需要的時(shí)間為2.8uS,再加上HCPL的動(dòng)作時(shí)間2uS,可以保證其保護(hù)動(dòng)作時(shí)間總共不超過IGBT所能承受過流極限時(shí)間10uS,也就能保證在IGBT炸毀以前將其關(guān)斷。

二極管D的功能是傳導(dǎo)正向電流,用于檢測(cè)IGBT導(dǎo)通時(shí)的保護(hù)壓降VCE(DESAT),關(guān)斷時(shí),阻斷主電路的高壓。在IGBT關(guān)斷期間,IGBT的C-E之間會(huì)有較高的dvCE/dt,進(jìn)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(fù)二極管。短路保護(hù)的閥值電壓VCE,fault(th),可通過HCPL316J的比較器內(nèi)設(shè)定的參考電壓Vref(Vref=7V)和帶串連二極管數(shù)量來設(shè)定。實(shí)際加在C-E間的保護(hù)壓降保護(hù)點(diǎn)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(shí),實(shí)際保護(hù)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(dá)到短路保護(hù)的閥值電壓VCE,fault(th)時(shí),通過HCPL316J直接封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào),使得橋臂直通故障消除,從而達(dá)到保護(hù)IGBT器件不會(huì)由于過流而損壞。

結(jié)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(hù),必須對(duì)逆變變換器的功率模塊考慮限流保護(hù)和過流保護(hù)措施。應(yīng)能在最短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)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(duì)應(yīng)的限流保護(hù)或者過流保護(hù)電路動(dòng)作,從而達(dá)到保護(hù)功率模塊的目的。

文章來源:ups維修http://m.keenjuche.com.cn/solve_ups.asp

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