艾默生UPS電源GXE03k00TL1101

時間：2018-05-11作者：北京金業(yè)順達(dá)科技有限公司瀏覽：59

艾默生UPS電源GXE03k00TL1101








不間斷電源的安全保護(hù)裝置


燃料電池在使用中，安全裝置是非常重要的，不間斷電源的安全保護(hù)裝置主要有以下幾部分構(gòu)成：
(1)匹配的保護(hù)設(shè)備與組件由以下部件構(gòu)成：

?保護(hù)裝置；?

在合適的位置有適當(dāng)?shù)闹甘酒骱?或報警器之類的監(jiān)控裝置，能夠自動或手動操作維持燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在允許極限內(nèi)。

(2)對保護(hù)裝置的要求

?其設(shè)計和安裝應(yīng)可靠、適用，安裝地點應(yīng)滿足維護(hù)和試驗要求。

?保護(hù)功能應(yīng)獨立于其他可能的功能。

?為獲得適當(dāng)且可靠的保護(hù)，應(yīng)遵照相應(yīng)的設(shè)計原則。該設(shè)計原則尤其應(yīng)包括失效保護(hù)模式、冗余設(shè)計、多樣化設(shè)計和自我診斷功能等。

(3)在設(shè)計階段，應(yīng)通過采用集成的測量、調(diào)節(jié)和控制裝置(如過流切斷開關(guān)、溫度限制器、壓差開關(guān)、流量計、延時繼電器、過速監(jiān)控器和/或類似的監(jiān)控裝置)來防止設(shè)備出現(xiàn)危險性過載。

(4)具有測量功能的保護(hù)裝置的設(shè)計和安裝應(yīng)符合以下要求能夠處理可預(yù)見的操作要求和特殊條件下的應(yīng)用。在必要地點，應(yīng)能夠檢查讀數(shù)的精確度和裝置的適用性。此類裝置應(yīng)能確定安全警戒線外報警門限一個綜合安全系數(shù)，尤其應(yīng)考慮裝置安裝的操作條件和測量系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的偏差。

(5)應(yīng)提供諸如壓力開關(guān)等限壓裝置。

(6)溫度監(jiān)控裝置應(yīng)具有足夠的安全響應(yīng)時間，并與測量功能保持一致。

(7)為安全目的所依賴的氣體傳感器應(yīng)遵照IEC61779-4，并應(yīng)根據(jù)IEC61779-6規(guī)定進(jìn)行選擇、安裝、校對、使用和維護(hù)。

(8)在制造階段已經(jīng)設(shè)置好或調(diào)節(jié)好的所有燃料電池發(fā)電系統(tǒng)部件，若不需要用戶或安裝人員對其進(jìn)行操作，則應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。

(9)操作桿和其他控制和設(shè)定裝置應(yīng)做出明確標(biāo)識并詳細(xì)說明預(yù)防操作錯誤的方法。其設(shè)計應(yīng)能阻止意外操作發(fā)生。


UPS（Uninterruptible Power Supply不間斷電源）需要實現(xiàn)對重要負(fù)載24小時不間斷供電，這就對UPS電源的可靠性提出了較高的要求。在實際應(yīng)用環(huán)境中，用戶端可能因為操作失誤或者環(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IGBT單元，可能會由于驅(qū)動信號的紊亂，造成橋臂中的兩個IGBT同時導(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IGBT短路失效時，當(dāng)另一個IGBT導(dǎo)通時，也會造成橋臂短路。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，那么怎樣實現(xiàn)在發(fā)生橋臂直通時能及時檢測出直通故障并保護(hù)IGBT，以避免IGBT炸毀，就顯得尤為重要。

故障時，逆變器的功率管會有大電流通過（本文主要針對IGBT講解，也可以類推應(yīng)用到MOSFET），假如不對此類故障電流進(jìn)行檢測并實施有效的保護(hù)動作，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極性晶體管)的集電極或者漏較電流會遠(yuǎn)**過安全工作區(qū)，IGBT會因為瞬間大電流導(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Q1的開關(guān)周期內(nèi)，只要檢測到短路電流達(dá)到ICRM，即刻關(guān)閉Q1，直到下一個開關(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)動信號，同時關(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，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，需要快速檢測出此故障，并將IGBT驅(qū)動封鎖并死鎖，直到系統(tǒng)指令復(fù)位才允許再次開啟驅(qū)動信號。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**過ISC（瞬態(tài)峰值電流，一般ISC=4ICnom）以前關(guān)閉驅(qū)動信號，并同時關(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Lf電感電流，當(dāng)發(fā)生輸出短路時，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，檢測此電流到一定范圍時（大于正常工作電流，小于重復(fù)峰值電流ICRM），將Q1和Q2驅(qū)動封鎖，此時電感電流ILf開始下降，當(dāng)電流下降到一定程度，撤銷驅(qū)動封鎖信號。假如此過程中輸出一直短路，待下一個驅(qū)動到來時，電感電流又開始上升，到短路保護(hù)點時，再一次封鎖IGBT的驅(qū)動，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)判斷此時發(fā)生了輸出短路，會關(guān)閉逆變IGBT的驅(qū)動信號，同時將逆變器關(guān)閉。

在實際應(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)電路實現(xiàn)逐波限流保護(hù)即可。對于輸出短路**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**過200ms時，就依靠軟件邏輯判斷，直接撤銷開關(guān)器件的驅(qū)動信號并關(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)動信號同時為高電平而造成的直通故障，我們一方面需要在驅(qū)動發(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上下管的驅(qū)動波形進(jìn)行硬件互鎖，當(dāng)上下管驅(qū)動電平同時為有效電平時，自動封鎖驅(qū)動波形。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，此時標(biāo)示1、2、3處都會有大電流流過，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，那么怎樣實現(xiàn)在發(fā)生橋臂直通時能及時檢測出直通故障并保護(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，認(rèn)為發(fā)生橋臂直通故障，此時封鎖所有IGBT驅(qū)動，以消除橋臂直通故障，避免IGBT炸毀。此種檢測電路適用于單相小容量變換器中，對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，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：使用帶有過流檢測的驅(qū)動光耦（例如HCPL316J）：由IGBT的特性可知，IGBT開通時，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，通過檢測VCE的飽和壓降來判斷IGBT過流，從而封鎖驅(qū)動信號。其通用的電路見圖3：



HCPL316J在驅(qū)動為高有效時，引腳DESAT會以典型值0.25mA的充電電流給電容C充電，當(dāng)IGBT在導(dǎo)通時發(fā)生過流,VCE急劇升高**過設(shè)定的VCE保護(hù)電壓，DESAT引腳充電電壓大于7V時，HCPL316J會自動封鎖驅(qū)動，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可以計算出DESAT引腳充電電壓達(dá)到7V所需要的時間為2.8uS,再加上HCPL的動作時間2uS，可以保證其保護(hù)動作時間總共不**過IGBT所能承受過流較**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IGBT導(dǎo)通時的保護(hù)壓降VCE(DESAT)，關(guān)斷時，阻斷主電路的高壓。在IGBT關(guān)斷期間，IGBT的C-E之間會有較高的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)，該二極管較好使用快恢復(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。實際加在C-E間的保護(hù)壓降保護(hù)點電壓

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，實際保護(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，通過HCPL316J直接封鎖驅(qū)動信號，使得橋臂直通故障消除，從而達(dá)到保護(hù)IGBT器件不會由于過流而損壞。

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)能在較短的時間內(nèi)檢測到大電流故障，需要分清楚是輸出短路故障還是橋臂直通故障，然后，由對應(yīng)的限流保護(hù)或者過流保護(hù)電路動作，從而達(dá)到保護(hù)功率模塊的目的。

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