不間斷交流電源過流保護設計

摘 要：不間斷交流電源帶容性負載易出現斷電或損壞的故障，傳統過流保護措施并不能完全解決，依然存在隱患，為解決此故障，設計了一種新型過流保護措施[1]。

關鍵詞：不間斷交流電源；過流保護；SPWM

不間斷交流電源[1]正常是用于在有交流輸入時交流電供電，當交流電斷開或者交流電不正常時用電池來供電。在電池饋電交流電供電時，開機后輸出接的容性負載太大，則負載的瞬間啟動電流就很大，電源檢測到峰值電流關斷后，輸出恢復時間太長，從而會導致輸出斷電故障。

1 故障分析

造成輸出斷電故障原因是在負載在開機瞬間，內部的開關電源對濾波電容器充電會產生一個很大的浪涌電流，比系統正常工作電流大幾倍乃至幾十倍。因此電源會在負載上電瞬間出現斷電問題。采用加大電源的輸出功率余量和提高電源的過流保護措施可以解決這個問題。

2 系統設計

系統框圖見圖1：

將主控芯片產生SPWM脈沖[2]作為電源的控制信號，經功率驅動電路驅動和保護IGBT開關管，另外電流檢測電路檢測到過流信號，短時間關斷SPWM脈沖信號，一旦沒有過流信號，將立刻打開SPWM脈沖信號。

產生兩路帶死區的SPWM脈沖作為電源的控制信號，其幅值為3.3 V，經功率驅動電路放大后驅動IGBT開關管，驅動波形很平滑不會有共態導通的風險。當主控芯片檢測到過流時快速關斷IGBT，起到保護IGBT的作用；當無過流信號時，快速恢復控制信號，使得負載不會斷電。

電源的主開關器件IGBT遇到短路和過流時，若不加保護或者保護不當，就會失效，其主要原因有：超過熱極限、發生擎住效應和超過器件耐壓三種。為了避免這三種失效的發生，必須對驅動電路采取適當的措施。通常采用的措施有軟關斷和降柵壓兩種。軟關斷是指過流和短路時，關斷IGBT；降柵壓是指在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍能維持導通，前者抗干擾能力差。一旦檢測到故障就關斷器件，很容易發生誤動作，因而為增加保護電路的抗干擾能力，往往在得到故障信號與啟動保護電路之間加一個固定延時，然而故障電流會在這固定延時內急劇上升，從而大大增加了故障時器件的功率損耗，同時故障電流的增加，還會使器件故障關斷時的di/dt增大，它們之間的參數設計很難折中，因此軟關斷保護的驅動電路，在故障發生時，往往是保護電路啟動了，但器件仍然損壞。后者，抗干擾能力強。將柵壓后設定一個固定延時，若延時后故障信號依然存在，則關斷器件。故障電流在這一個延時內將被限制在一個較小值。故障電流的限制，降低了故障時器件的功率損耗，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關斷時的di/dt，對器件的保護十分有利，在延時中，若故障信號消失，驅動電路可自動恢復正常的工作狀態，因而大大增強了電路的抗干擾能力。從上述的分析可以看出，降柵壓是一種很好的IGBT故障保護方法，但在以往的降柵壓電路中，往往只考慮了柵壓與短路電流大小的關系，忽略了降柵壓的速度。在實際過程中發現，降柵壓的速度直接決定了故障電流下降的速率di/dt，控制di/dt，必須采用慢降柵壓技術，以通過限制降柵壓的速度來控制故障電流下降的速率di/dt，從而抑制器件的dv/dt和uc的峰值。

實現慢降柵壓的具體電路選用新型IGBT驅動集成芯片作為驅動電路，芯片采用自舉供電技術，驅動能力強，動態響應快，具有電源欠壓及功率IGBT過流軟關斷功能，只需幾個外圍分立元件，就可直接驅動IGBT。模塊過流時，通過Vce飽和壓降檢測電路，采用兩步法軟關斷技術，有效抑制dv/dt，降低EMI。在系統中，兩個驅動電路之間通過SY-FLT和FAULT/SD引腳連接組成“局域網”。該引腳具有輸入輸出功能。一旦有某一路發生故障，驅動芯片的故障管理系統立即同步封鎖，同時向控制器送出報警信號。短路保護迅速有效，可大幅提高系統可靠性。當下管發生過流時，即下管的Vce探測點電壓超過其7V門限值，SY-FLT由高變低，系統封鎖驅動輸出，啟動軟關斷過程，經測量時間約9.6微秒，同時向單片機發出功率模塊短路故障報警。軟關斷結束后，SY-FLT恢復高電平，同時在該路SY-FLT由高變低的下降沿，與此相連的另一路驅動芯片同時封鎖輸出，能夠有效防止相間短路。另外驅動芯片有一個故障清除信號，當無過流信號時，可通過單片機快速恢復控制信號，使得負載不會因為短時間保護而斷電。在帶大的容性負載時輸出電壓只是降低了一些，不會導致輸出斷電故障。

3 結論

本文提出的慢降柵壓技術和快速開關SPWM脈沖信號的方式對電源的主開關管進行雙重保護，有效地抑制了不間斷交流電源帶容性負載易出現斷電或損壞的問題，解決了輸出斷電故障。我們研發的產品使用此設計提高了質量，降低了維護成本，得到了用戶的好評。

[參考文獻]

[1]王其英，何春華，著.UPS不間斷電源剖析與應用.北京：科學出版社，1996.

[2]劉喜甫，王少軍，劉志忠，等.SPWM通信逆變電源的設計[J].電源世界，2006（5）：16-18.