浅谈纯正弦波220v逆变器故障的保护方案

通信高频逆变器需要实现对关键负载长期不间断供电,这就对高频逆变器的可靠性提出了极高的要求。而在实际应用环境中,用户有可能因操作失误或者环境因素等造成逆变器输出短路，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。

输出短路保护:需要逆变器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。