UPS需要实现对关键负载长期不间断供电,这就对UPS的可靠性提出了极高的要求。而在实际应用环境中,用户侧可能因操作失误或者环境因素等造成UPS输出短路或逆变器桥臂直通,这时,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的集电极或者漏极电流就会远超过安全工作区,IGBT会因瞬间大电流导致高功率损耗烧毁,也可能有过电流引起的过电压击穿损坏。

    以单相半桥逆变器为例(见图1),分析UPS输出短路和逆变器桥臂直通的保护方法。

    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(重复峰值电流,一般ICRM=2 IC nom)内。

    桥臂直通保护:例如VT2自身失效短路或者被外在电气连接短路,在VT1开通时,母线被直接通过VT1短路,此直通电流上升得非常快,一般在10μs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。在总寿命周期内,一般IGBT承受此类直通电流不能超过100次。这类直通保护需要在10μs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VT1开通,电压UC1通过VT1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VT1和VT2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VT1和下管VT2因驱动信号同时为高电平而造成的直通故障,一方面需要在驱动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,自动封锁驱动电压。

    另外,IGBT也有可能因过压导致瞬间击穿直通,或者自身雪崩失效短路、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处都会有大电流通过,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及时检测出直通故障并保护IGBT,以避免IGBT烧毁,就显得尤为重要。

    目前桥臂直通保护电路有两种类型:

    (1) 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额定电流时,就认为发生桥臂直通故障,此时封锁所有IGBT驱动,以消除故障,避免IGBT烧毁。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,不能施行有效保护。

    (2)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10μs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UCE的饱和压降来判断IGBT过流,从而封锁驱动信号。其通用的电路如图3所示。

    HCPL316J在驱动为高电平有效时,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，UCE急剧升高超过设定的UCE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2.8μs,再加上HCPL的动作时间2μs,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10μs,也就能保证在IGBT烧毁以前将其关断。

    二极管VD的功能是传导正向电流，用于检测IGBT导通时的保护压降UCE(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dUCE/dt,进而引起C-E间的电容充电电流。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。短路保护的阈值电压UCE,fault(th),可通过HCPL316J的比较器内设定的参考电压Uref(Uref=7V)和带串联二极管数量来设定。实际加在C-E间的保护压降保护点电压
UCE,fault(th)=Uref-n×UF

    其中n是串联二极管数,UF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所示。

    3 结束语

    为了提高UPS的可靠性,保证其在一些故障情况下能自我保护,必须对逆变器的功率模块考虑过电流保护措施。首先,应在最短的时间内检测到过电流故障,分清楚是输出短路故障还是桥臂直通故障,然后再采取适当的方式保护功率模块。