逆變電源短路保護及限流策略

柳 彬，謝 煒，余躍聽，耿 攀，蔡 凱

(1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064;2.海軍駐719所軍事代表室，湖北 武漢 430064)

0 引言

在各種電力電子裝置中，逆變電源是應(yīng)用范圍最廣的，直接DC/AC變換或間接DC/AC變換的場合，都需要逆變電源。根據(jù)其應(yīng)用場合，逆變電源大致可分為三大類:①應(yīng)用于電力系統(tǒng)的的各種電力系統(tǒng)補償控制器，如統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)、超導體儲能系統(tǒng)(SEMES)等;②應(yīng)用于各種交流電機的高性能調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，如各類同步電機、異步電機的變頻驅(qū)動系統(tǒng)等;③以輸出高品質(zhì)電能為目標的交流穩(wěn)定電源，如 UPS、艦船用獨立電源等［1］。

作為交流穩(wěn)定電源使用的逆變電源，除了具有比較好的性能指標外，還應(yīng)具有比較高的可靠性，能適應(yīng)多種負載狀況，既具有故障保護的功能，又不會因為負載沖擊而頻繁關(guān)機［2－3］。沖擊型負載有很多，典型的有:空載變壓器、電動機、整流型沖擊負載，還有由于負載故障造成的短路情況，這些負載都會造成很大的沖擊電流。對于沖擊型負載，逆變電源短時間內(nèi)過流，之后又恢復(fù)正常，這期間逆變電源保護裝置非常容易誤動作，造成不必要的停機。如何在短時間內(nèi)限制逆變電源輸出電流，又不會使逆變電源過載保護停機，是一個值得研究的問題。

本文首先論述了逆變電源IGBT的短路耐受能力的概念，分析了基于集電極－發(fā)射極電壓檢測的IGBT短路保護電路，并對三相逆變電源的短路模式和保護方法進行了詳細說明。針對逆變電源工程應(yīng)用中抗短路沖擊的需求，提出了硬件限流電路和軟件限流環(huán)相結(jié)合的限流策略，并通過試驗驗證了該策略的有效性。

1 逆變電源IGBT短路耐受能力

逆變電源的主要工作器件是IGBT(絕緣門極雙極型晶體管)，因此逆變電源的抗短路沖擊能力只取決于IGBT器件的容量和短路耐受能力。IGBT的符號和輸出特性如圖1所示。

圖1 IGBT符號及輸出特性Fig.1 The symbol and output characteristics of IGBT

IGBT的輸出特性是驅(qū)動電壓VGE一定時集電極電流IC與集電極－發(fā)射極電壓VCE的函數(shù)關(guān)系:

圖1中，VGE=0的曲線對應(yīng)于IGBT處于斷態(tài)。VGE為定值時，在線性導電區(qū)Ⅰ，VCE增大，IC增大。在恒流飽和區(qū)Ⅱ，對于一定的VGE，VCE增大，而IC不再隨VCE而增大。在VCE為負值的反壓下其特性曲線類似于三極管的反向阻斷特性。

短路發(fā)生時，IGBT的集電極電流IC增加到超過既定值，則集電極－發(fā)射極電壓VCE急劇增加。IGBT的短路耐受能力由短路電流開始流動到引起器件破壞為止的時間決定，其測試電路和波形如圖2所示，短路耐受能力(Pw)代表著一定時間內(nèi)IGBT器件所能承受的最大熱量。

圖2 IGBT短路耐受能力測試電路及波形Fig.2 Testing circuits and waveforms to illustrate short-circuit enduring capability of IGBT

2 基于集電極－發(fā)射極電壓VCE檢測的IGBT短路保護電路

根據(jù)上節(jié)分析可知，當IGBT集電極電流IC增大超過安全值時，集電極－發(fā)射極電壓VCE會迅速增加，因此可以利用該特性對IGBT實施短路保護。對VCE進行實時檢測，當其VCE大于設(shè)定值時，在驅(qū)動電路側(cè)迅速撤除驅(qū)動信號，從而達到保護的功能。

圖3 基于VCE檢測的IGBT短路保護電路Fig.3 IGBT short-circuit protection circuit based on VCEdetection

圖3是一典型的基于VCE檢測的IGBT短路保護電路。該電路通過D1對IGBT的集電極－發(fā)射極電壓VCE進行實時監(jiān)測，當導通時段中VCE超過穩(wěn)壓管D2的電壓時即作為短路狀態(tài)被檢測出來，此時T1開通，T2關(guān)斷，T3關(guān)斷。則IGBT門極存儲的電荷通過電阻RGE緩慢放電，對IGBT形成了保護，同時也避免了IGBT關(guān)斷時產(chǎn)生過大的尖峰電壓［4］。

這種短路保護電路廣泛應(yīng)用于驅(qū)動產(chǎn)品中，如日本富士公司的 EXB840、841產(chǎn)品系列(適用于1200V/400A內(nèi)的 IGBT)，瑞士 CONCEPT公司的1SD418F2、1SD536F2產(chǎn)品系列(適用于 1700V/3600A、3300V/1500A等大功率IGBT)。

需要指出的是作為集成在驅(qū)動電路中的這種短路保護電路雖然能起到保護的作用，但當短路故障點無法消除時，必須通過其他檢測途徑使控制系統(tǒng)不再發(fā)出驅(qū)動信號，使IGBT及時關(guān)斷，從源頭上阻止短路的發(fā)生。

3 逆變電源短路模式分析和基于電流檢測的短路保護方法

以三相逆變電源為例，逆變電源的短路模式及其故障原因分析如表1所示，在短路模式的示意圖中，用箭頭指明了短路電流的方向。

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根據(jù)表1中逆變電源各短路模式下短路電流的路徑可以設(shè)置如圖4所示的電流檢測點:(a)直流電容電流檢測;(b)正負母線電流檢測;(c)IGBT電流檢測;(d)負載側(cè)電流檢測。檢測點設(shè)置在a點、b點和c點均可以對上述4種模式的短路進行檢測，d點可以對模式3和模式4的短路進行檢測。

在逆變電源實際電路中，由于直流電容接線一般較短，不便于設(shè)置電流傳感器，同時在b點設(shè)置電流檢測可以反映逆變電源直流輸入電流，因此a點和b點相比，更傾向于電流檢測設(shè)置在b點。電流檢測設(shè)置在c點雖然可以反映出最真實的流過IGBT的電流大小，但其數(shù)量和IGBT的個數(shù)相同，在實際系統(tǒng)中極少采用。在d點負載側(cè)設(shè)置電流檢測在實際系統(tǒng)中經(jīng)常使用。

圖4 基于電流檢測的逆變電源短路保護方法Fig.4 Short-circuit protection method of inverter based on current detection

在設(shè)置了電流檢測點后，當檢測到的電流大于保護設(shè)定值時，就由控制系統(tǒng)發(fā)出IGBT驅(qū)動封鎖信號，從源頭上阻止了短路的發(fā)生。

4 逆變電源的軟硬件限流策略

逆變電源作為交流穩(wěn)定電源使用時，根據(jù)用戶需求，要求其具有一定的抗短路沖擊能力，即在負載側(cè)發(fā)生短路故障的瞬間逆變電源能正常運行，隨后將輸出電流限定在一個較大的數(shù)值并維持一定時間，保證配電支路的熔斷器熔斷或配電開關(guān)跳閘，在故障消除之后逆變電源又恢復(fù)正常，在整個過程中逆變電源能正常運行而不停機。

上述過程也被稱為短路限流過程，一般來說由硬件限流和軟件限流2個階段組成:

第一階段，短路故障發(fā)生的瞬間，逆變電源的輸出電流急劇增大，通過硬件限流電路使輸出短路電流限定在一個固定的范圍內(nèi)，同時保證逆變電源不保護停機。

第二階段，控制系統(tǒng)檢測到急劇上升的輸出電流，將輸出控制由電壓閉環(huán)控制切換為電流閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)迅速降低逆變電源輸出電壓，并維持一個恒定的輸出電流。

圖5 逆變電源硬件限流電路Fig.5 Hardware current-limiting circuit of inverter

圖6 滯環(huán)比較器輸出特性Fig.6 Output characteristics of hysteresis comparator

圖5是一個典型的逆變電源硬件限流電路，其中采用的電流檢測I_IN可以是圖4分析中的b點的直流母線電流，也可以是d點的輸出電流。I_IN經(jīng)過運放整流電路后得到正值，然后進入滯環(huán)比較電路，其輸出特性如圖6所示。當電流大于設(shè)定值V1時，封鎖IGBT驅(qū)動脈沖，使其關(guān)斷，通過反向二極管續(xù)流使逆變電源輸出電流降低，當電流降低到設(shè)定值V2以下時，自動解除驅(qū)動脈沖的封鎖。滯環(huán)電路具有較強的抗干擾性，能有效降低IGBT硬件限流的動作次數(shù)。根據(jù)圖5的電路，當R2=R3時，可以得到比較器的輸入為，比較點V1和V2分別為:

通過式(2)和式(3)，可以選擇合適的硬件限流值和釋放值，以期與最終的軟件限流值匹配。

圖7顯示了軟件限流的控制過程。當短路故障發(fā)生時，限流判斷機制將PID控制器的輸入由電壓誤差切換為電流誤差，在短路剛開始時，短路電流遠大于給定值，電流誤差為負值，因此PID控制器的輸出將迅速降低，逆變電源的輸出電壓隨之減小，直至短路電流等于電流環(huán)的給定值。

圖7 軟件限流控制框圖Fig.7 Control diagram of software current-limiting

從發(fā)生短路故障到軟件限流控制起作用將會需要半個到一個周波的時間(即10～20 ms)，在這期間必須要依賴硬件限流電路將IGBT的電流迅速降低，使電壓閉環(huán)控制平穩(wěn)地切換到電流閉環(huán)控制。

5 試驗結(jié)果

對1臺額定功率為450 kW的三相逆變電源進行了短路限流試驗。該逆變電源輸出短路時采用硬件限流電路和軟件限流環(huán)相結(jié)合的方法，硬件限流電路電流采樣采用的是負載側(cè)電流(圖4中d點)，軟件限流值設(shè)定為1400 A。逆變電源的運行條件為:輸出三相AC390 V，輸出約130 A，短路故障模式為輸出三相短路和B和C相間短路。

圖8和圖9的試驗結(jié)果表明，在短路發(fā)生的初始半個到一個周波內(nèi)(即10～20 ms)，短路電流迅速上升，在該時間段內(nèi)，由于硬件限流電路的封鎖和釋放作用，電流波形呈現(xiàn)鋸齒狀，之后軟件限流的控制作用明顯，電流恢復(fù)正弦性，進入穩(wěn)定的電流閉環(huán)控制。在試驗結(jié)果中還可以看出，短路發(fā)生后約200 ms，短路故障點消除，此后逆變電源電壓進入恢復(fù)階段，在整個過程中逆變電源不保護停機。

6 結(jié)語

逆變電源基于IGBT的高頻通斷工作，對逆變電源的短路保護和限流就是對IGBT的保護和電流限制。通過設(shè)置合適的電流檢測點能對各種短路模式下逆變電源的IGBT實施保護。同時，采用硬件限流電路和軟件限流環(huán)相結(jié)合的限流策略，能充分利用器件的安全工作范圍，提高逆變電源的抗短路沖擊能力。

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