逆变电源短路保护及限流策略

柳 彬，谢 炜，余跃听，耿 攀，蔡 凯

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;2.海军驻719所军事代表室，湖北 武汉 430064)

0 引言

在各种电力电子装置中，逆变电源是应用范围最广的，直接DC/AC变换或间接DC/AC变换的场合，都需要逆变电源。根据其应用场合，逆变电源大致可分为三大类:①应用于电力系统的的各种电力系统补偿控制器，如统一潮流控制器(UPFC)、超导体储能系统(SEMES)等;②应用于各种交流电机的高性能调速驱动系统，如各类同步电机、异步电机的变频驱动系统等;③以输出高品质电能为目标的交流稳定电源，如 UPS、舰船用独立电源等［1］。

作为交流稳定电源使用的逆变电源，除了具有比较好的性能指标外，还应具有比较高的可靠性，能适应多种负载状况，既具有故障保护的功能，又不会因为负载冲击而频繁关机［2－3］。冲击型负载有很多，典型的有:空载变压器、电动机、整流型冲击负载，还有由于负载故障造成的短路情况，这些负载都会造成很大的冲击电流。对于冲击型负载，逆变电源短时间内过流，之后又恢复正常，这期间逆变电源保护装置非常容易误动作，造成不必要的停机。如何在短时间内限制逆变电源输出电流，又不会使逆变电源过载保护停机，是一个值得研究的问题。

本文首先论述了逆变电源IGBT的短路耐受能力的概念，分析了基于集电极－发射极电压检测的IGBT短路保护电路，并对三相逆变电源的短路模式和保护方法进行了详细说明。针对逆变电源工程应用中抗短路冲击的需求，提出了硬件限流电路和软件限流环相结合的限流策略，并通过试验验证了该策略的有效性。

1 逆变电源IGBT短路耐受能力

逆变电源的主要工作器件是IGBT(绝缘门极双极型晶体管)，因此逆变电源的抗短路冲击能力只取决于IGBT器件的容量和短路耐受能力。IGBT的符号和输出特性如图1所示。

图1 IGBT符号及输出特性Fig.1 The symbol and output characteristics of IGBT

IGBT的输出特性是驱动电压VGE一定时集电极电流IC与集电极－发射极电压VCE的函数关系:

图1中，VGE=0的曲线对应于IGBT处于断态。VGE为定值时，在线性导电区Ⅰ，VCE增大，IC增大。在恒流饱和区Ⅱ，对于一定的VGE，VCE增大，而IC不再随VCE而增大。在VCE为负值的反压下其特性曲线类似于三极管的反向阻断特性。

短路发生时，IGBT的集电极电流IC增加到超过既定值，则集电极－发射极电压VCE急剧增加。IGBT的短路耐受能力由短路电流开始流动到引起器件破坏为止的时间决定，其测试电路和波形如图2所示，短路耐受能力(Pw)代表着一定时间内IGBT器件所能承受的最大热量。

图2 IGBT短路耐受能力测试电路及波形Fig.2 Testing circuits and waveforms to illustrate short-circuit enduring capability of IGBT

2 基于集电极－发射极电压VCE检测的IGBT短路保护电路

根据上节分析可知，当IGBT集电极电流IC增大超过安全值时，集电极－发射极电压VCE会迅速增加，因此可以利用该特性对IGBT实施短路保护。对VCE进行实时检测，当其VCE大于设定值时，在驱动电路侧迅速撤除驱动信号，从而达到保护的功能。

图3 基于VCE检测的IGBT短路保护电路Fig.3 IGBT short-circuit protection circuit based on VCEdetection

图3是一典型的基于VCE检测的IGBT短路保护电路。该电路通过D1对IGBT的集电极－发射极电压VCE进行实时监测，当导通时段中VCE超过稳压管D2的电压时即作为短路状态被检测出来，此时T1开通，T2关断，T3关断。则IGBT门极存储的电荷通过电阻RGE缓慢放电，对IGBT形成了保护，同时也避免了IGBT关断时产生过大的尖峰电压［4］。

这种短路保护电路广泛应用于驱动产品中，如日本富士公司的 EXB840、841产品系列(适用于1200V/400A内的 IGBT)，瑞士 CONCEPT公司的1SD418F2、1SD536F2产品系列(适用于 1700V/3600A、3300V/1500A等大功率IGBT)。

需要指出的是作为集成在驱动电路中的这种短路保护电路虽然能起到保护的作用，但当短路故障点无法消除时，必须通过其他检测途径使控制系统不再发出驱动信号，使IGBT及时关断，从源头上阻止短路的发生。

3 逆变电源短路模式分析和基于电流检测的短路保护方法

以三相逆变电源为例，逆变电源的短路模式及其故障原因分析如表1所示，在短路模式的示意图中，用箭头指明了短路电流的方向。

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根据表1中逆变电源各短路模式下短路电流的路径可以设置如图4所示的电流检测点:(a)直流电容电流检测;(b)正负母线电流检测;(c)IGBT电流检测;(d)负载侧电流检测。检测点设置在a点、b点和c点均可以对上述4种模式的短路进行检测，d点可以对模式3和模式4的短路进行检测。

在逆变电源实际电路中，由于直流电容接线一般较短，不便于设置电流传感器，同时在b点设置电流检测可以反映逆变电源直流输入电流，因此a点和b点相比，更倾向于电流检测设置在b点。电流检测设置在c点虽然可以反映出最真实的流过IGBT的电流大小，但其数量和IGBT的个数相同，在实际系统中极少采用。在d点负载侧设置电流检测在实际系统中经常使用。

图4 基于电流检测的逆变电源短路保护方法Fig.4 Short-circuit protection method of inverter based on current detection

在设置了电流检测点后，当检测到的电流大于保护设定值时，就由控制系统发出IGBT驱动封锁信号，从源头上阻止了短路的发生。

4 逆变电源的软硬件限流策略

逆变电源作为交流稳定电源使用时，根据用户需求，要求其具有一定的抗短路冲击能力，即在负载侧发生短路故障的瞬间逆变电源能正常运行，随后将输出电流限定在一个较大的数值并维持一定时间，保证配电支路的熔断器熔断或配电开关跳闸，在故障消除之后逆变电源又恢复正常，在整个过程中逆变电源能正常运行而不停机。

上述过程也被称为短路限流过程，一般来说由硬件限流和软件限流2个阶段组成:

第一阶段，短路故障发生的瞬间，逆变电源的输出电流急剧增大，通过硬件限流电路使输出短路电流限定在一个固定的范围内，同时保证逆变电源不保护停机。

第二阶段，控制系统检测到急剧上升的输出电流，将输出控制由电压闭环控制切换为电流闭环控制，控制系统迅速降低逆变电源输出电压，并维持一个恒定的输出电流。

图5 逆变电源硬件限流电路Fig.5 Hardware current-limiting circuit of inverter

图6 滞环比较器输出特性Fig.6 Output characteristics of hysteresis comparator

图5是一个典型的逆变电源硬件限流电路，其中采用的电流检测I_IN可以是图4分析中的b点的直流母线电流，也可以是d点的输出电流。I_IN经过运放整流电路后得到正值，然后进入滞环比较电路，其输出特性如图6所示。当电流大于设定值V1时，封锁IGBT驱动脉冲，使其关断，通过反向二极管续流使逆变电源输出电流降低，当电流降低到设定值V2以下时，自动解除驱动脉冲的封锁。滞环电路具有较强的抗干扰性，能有效降低IGBT硬件限流的动作次数。根据图5的电路，当R2=R3时，可以得到比较器的输入为，比较点V1和V2分别为:

通过式(2)和式(3)，可以选择合适的硬件限流值和释放值，以期与最终的软件限流值匹配。

图7显示了软件限流的控制过程。当短路故障发生时，限流判断机制将PID控制器的输入由电压误差切换为电流误差，在短路刚开始时，短路电流远大于给定值，电流误差为负值，因此PID控制器的输出将迅速降低，逆变电源的输出电压随之减小，直至短路电流等于电流环的给定值。

图7 软件限流控制框图Fig.7 Control diagram of software current-limiting

从发生短路故障到软件限流控制起作用将会需要半个到一个周波的时间(即10～20 ms)，在这期间必须要依赖硬件限流电路将IGBT的电流迅速降低，使电压闭环控制平稳地切换到电流闭环控制。

5 试验结果

对1台额定功率为450 kW的三相逆变电源进行了短路限流试验。该逆变电源输出短路时采用硬件限流电路和软件限流环相结合的方法，硬件限流电路电流采样采用的是负载侧电流(图4中d点)，软件限流值设定为1400 A。逆变电源的运行条件为:输出三相AC390 V，输出约130 A，短路故障模式为输出三相短路和B和C相间短路。

图8和图9的试验结果表明，在短路发生的初始半个到一个周波内(即10～20 ms)，短路电流迅速上升，在该时间段内，由于硬件限流电路的封锁和释放作用，电流波形呈现锯齿状，之后软件限流的控制作用明显，电流恢复正弦性，进入稳定的电流闭环控制。在试验结果中还可以看出，短路发生后约200 ms，短路故障点消除，此后逆变电源电压进入恢复阶段，在整个过程中逆变电源不保护停机。

6 结语

逆变电源基于IGBT的高频通断工作，对逆变电源的短路保护和限流就是对IGBT的保护和电流限制。通过设置合适的电流检测点能对各种短路模式下逆变电源的IGBT实施保护。同时，采用硬件限流电路和软件限流环相结合的限流策略，能充分利用器件的安全工作范围，提高逆变电源的抗短路冲击能力。

［1］陈坚.电力电子学—电力电子变换和控制技术［M］.北京:高等教育出版社，2002.CHEN Jian.Power electronics-control and convert technologies in power electronics［M］.Beijing:Higher Education Press，2002.

［2］张宁，裴雪军，等.三相逆变器限流策略研究［J］.通信电源技术，2006(1):31－32.ZHANG Ning，PEI Xue-jun，et al.Study on current limiting strategy for 3-phase inverter［J］.Telecom Power Technologies，2006(1):31 －32.

［3］康勇，耿娟娟，等.PWM逆变电源抗冲击负荷研究［J］.华中理工大学学报，1994，22(12):87 －90.KANG Yong，GENG Juan-juan，et al.Research on antiimpact load of PWM inverters［J］.Journal of Huazhong university of science and technology，1994，22(12):87 －90.

［4］柳彬，吴浩伟，等.大功率逆变电源IGBT关断电压尖峰抑制研究［J］.舰船科学技术，2009，30(12):62 －65.LIU Bin，WU Hao-wei，et al.Research on methods of restrain IGBT switching-off voltage pulse in high-power inverter［J］.Ship Science and Technology，2009，30(12):62－65.

［5］高军，黎辉，等.基于PID控制和重复控制的正弦波逆变电源的研究［J］.电工电能新技术，2002，(1):1 －4.GAO Jun，LI Hiu，et al.Study on sine wave inverters with PID control and repetitive control［J］.Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2002，(1):1 －4.