不间断交流电源过流保护设计
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摘 要：不间断交流电源带容性负载易出现断电或损坏的故障，传统过流保护措施并不能完全解决，依然存在隐患，为解决此故障，设计了一种新型过流保护措施[1]。
关键词：不间断交流电源；过流保护；SPWM
不间断交流电源[1]正常是用于在有交流输入时交流电供电，当交流电断开或者交流电不正常时用电池来供电。在电池馈电交流电供电时，开机后输出接的容性负载太大，则负载的瞬间启动电流就很大，电源检测到峰值电流关断后，输出恢复时间太长，从而会导致输出断电故障。
1 故障分析
造成输出断电故障原因是在负载在开机瞬间，内部的开关电源对滤波电容器充电会产生一个很大的浪涌电流，比系统正常工作电流大几倍乃至几十倍。因此电源会在负载上电瞬间出现断电问题。采用加大电源的输出功率余量和提高电源的过流保护措施可以解决这个问题。
2 系统设计
系统框图见图1：
将主控芯片产生SPWM脉冲[2]作为电源的控制信号，经功率驱动电路驱动和保护IGBT开关管，另外电流检测电路检测到过流信号，短时间关断SPWM脉冲信号，一旦没有过流信号，将立刻打开SPWM脉冲信号。
产生两路带死区的SPWM脉冲作为电源的控制信号，其幅值为3.3 V，经功率驱动电路放大后驱动IGBT开关管，驱动波形很平滑不会有共态导通的风险。当主控芯片检测到过流时快速关断IGBT，起到保护IGBT的作用；当无过流信号时，快速恢复控制信号，使得负载不会断电。
电源的主开关器件IGBT遇到短路和过流时，若不加保护或者保护不当，就会失效，其主要原因有：超过热极限、发生擎住效应和超过器件耐压三种。为了避免这三种失效的发生，必须对驱动电路采取适当的措施。通常采用的措施有软关断和降栅压两种。软关断是指过流和短路时，关断IGBT；降栅压是指在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍能维持导通，前者抗干扰能力差。一旦检测到故障就关断器件，很容易发生误动作，因而为增加保护电路的抗干扰能力，往往在得到故障信号与启动保护电路之间加一个固定延时，然而故障电流会在这固定延时内急剧上升，从而大大增加了故障时器件的功率损耗，同时故障电流的增加，还会使器件故障关断时的di/dt增大，它们之间的参数设计很难折中，因此软关断保护的驱动电路，在故障发生时，往往是保护电路启动了，但器件仍然损坏。后者，抗干扰能力强。将栅压后设定一个固定延时，若延时后故障信号依然存在，则关断器件。故障电流在这一个延时内将被限制在一个较小值。故障电流的限制，降低了故障时器件的功率损耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件的保护十分有利，在延时中，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了电路的抗干扰能力。从上述的分析可以看出，降栅压是一种很好的IGBT故障保护方法，但在以往的降栅压电路中，往往只考虑了栅压与短路电流大小的关系，忽略了降栅压的速度。在实际过程中发现，降栅压的速度直接决定了故障电流下降的速率di/dt，控制di/dt，必须采用慢降栅压技术，以通过限制降栅压的速度来控制故障电流下降的速率di/dt，从而抑制器件的dv/dt和uc的峰值。
实现慢降栅压的具体电路选用新型IGBT驱动集成芯片作为驱动电路，芯片采用自举供电技术，驱动能力强，动态响应快，具有电源欠压及功率IGBT过流软关断功能，只需几个分立元件，就可直接驱动IGBT。模块过流时，通过Vce饱和压降检测电路，采用两步法软关断技术，有效抑制dv/dt，降低EMI。在系统中，两个驱动电路之间通过SY-FLT和FAULT/SD引脚连接组成“局域网”。该引脚具有输入输出功能。一旦有某一路发生故障，驱动芯片的故障管理系统立即同步封锁，同时向控制器送出报警信号。短路保护迅速有效，可大幅提高系统可靠性。当下管发生过流时，即下管的Vce探测点电压超过其7V门限值，SY-FLT由高变低，系统封锁驱动输出，启动软关断过程，经测量时间约9.6微秒，同时向单片机发出功率模块短路故障报警。软关断结束后，SY-FLT恢复高电平，同时在该路SY-FLT由高变低的下降沿，与此相连的另一路驱动芯片同时封锁输出，能够有效防止相间短路。另外驱动芯片有一个故障清除信号，当无过流信号时，可通过单片机快速恢复控制信号，使得负载不会因为短时间保护而断电。在带大的容性负载时输出电压只是降低了一些，不会导致输出断电故障。
3 结论
本文提出的慢降栅压技术和快速开关SPWM脉冲信号的方式对电源的主开关管进行双重保护，有效地抑制了不间断交流电源带容性负载易出现断电或损坏的问题，解决了输出断电故障。我们研发的产品使用此设计提高了质量，降低了维护成本，得到了用户的好评。
[参考文献]
[1]王其英，何春华，著.UPS不间断电源剖析与应用.北京：科学出版社，1996.
[2]刘喜甫，王少军，刘志忠，等.SPWM通信逆变电源的设计[J].电源世界，2006（5）：16-18.