UPS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。