艾默生UPS电源GXE03k00TL1101

时间：2018-05-11

作者：北京金业顺达科技有限公司

不间断电源的安全保护装置

燃料电池在使用中，安全装置是非常重要的，不间断电源的安全保护装置主要有以下几部分构成：

(1)匹配的保护设备与组件由以下部件构成：

?保护装置；?

在合适的位置有适当的指示器和/或报警器之类的监控装置，能够自动或手动操作维持燃料电池发电系统在允许极限内。

(2)对保护装置的要求

?其设计和安装应可靠、适用，安装地点应满足维护和试验要求。

?保护功能应独立于其他可能的功能。

?为获得适当且可靠的保护，应遵照相应的设计原则。该设计原则尤其应包括失效保护模式、冗余设计、多样化设计和自我诊断功能等。

(3)在设计阶段，应通过采用集成的测量、调节和控制装置(如过流切断开关、温度限制器、压差开关、流量计、延时继电器、过速监控器和/或类似的监控装置)来防止设备出现危险性过载。

(4)具有测量功能的保护装置的设计和安装应符合以下要求能够处理可预见的操作要求和特殊条件下的应用。在必要地点，应能够检查读数的精确度和装置的适用性。此类装置应能确定安全警戒线外报警门限一个综合安全系数，尤其应考虑装置安装的操作条件和测量系统中可能出现的偏差。

(5)应提供诸如压力开关等限压装置。

(6)温度监控装置应具有足够的安全响应时间，并与测量功能保持一致。

(7)为安全目的所依赖的气体传感器应遵照IEC61779-4，并应根据IEC61779-6规定进行选择、安装、校对、使用和维护。

(8)在制造阶段已经设置好或调节好的所有燃料电池发电系统部件，若不需要用户或安装人员对其进行操作，则应采取适当的保护措施。

(9)操作杆和其他控制和设定装置应做出明确标识并详细说明预防操作错误的方法。其设计应能阻止意外操作发生。

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较高的要求。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)的集电极或者漏较电流会远**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**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**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**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**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**过IGBT所能承受过流较**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，该二极管较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。应能在较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。

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