晶闸管的过电压和过电流保护

晶闸管的过电压和过电流保护在电力电子电路中，为确保变流电路正常工作，除了适当选择电力电子器件参数、设计良好的驱动电路外，还要采用必要的保护措施，即过电压保护、过电流保护、du/dt及di/dt的限制。

晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力极差，当元件承受的反向电压超过其反向击穿电压时，即使时间很短，也会造成元器件反向击穿损坏。

如果正向电压超过晶闸管的正向转折电压，会引起晶闸管硬开通，它不仅使电路工作失常，且多次硬开通后元器件正向转折电压要降低，甚至失去正向阻断能力而损坏。

因此必须抑制晶闸管上可能出现的过电压，采取过电压保护措施。

1.晶闸管关断过电压及其保护晶闸管从导通到阻断时，和开关电路一样，因线路电感（主要是变压器漏感）释放能量会产生过电压。

由于晶闸管在导通期间，载流子充满元件内部，所以元器件在关断过程中，正向电流下降到零时，元器件内部仍残存着载流子。

这些积蓄载流子在反向电压作用下瞬时出现较大的反向电流，使积蓄载流子迅速消失，这时反向电流减小的速度极快，即di/dt极大。

晶闸管关断过程中电流与管压降的变化如图1所示。

因此，即使和元器件串联的线路电感L很小，电感产生的感应电势L（di/dt）值仍很大，这个电势与电源电压串联，反向加在已恢复阻断的元器件上，可能导致晶闸管的反向击穿。

这种由于晶闸管关断引起的过电压，称为关断过电压，其数值可达工作电压峰值的5～6倍，所以必须采取抑制措施。

如图2（a）所示，晶闸管两端的电压波形在管子关断的瞬时出现反向电压尖峰（毛刺）即为关断过电压。

当整流器输出端接续流二极管时，续流二极管由导通转为截止的瞬间，也是立即承受反向电压的，所以同样会产生关断过电压，故对续流二极管也应采取过电压保护措施。

图1 晶闸管关断过程中电流与管压降的变化图2 晶闸管关断过电压波形对于这种呈尖峰状的瞬时过电压，最常用的保护方法是在晶闸管两端并联电容，利用电容两端电压瞬时不能突变的特性，吸收尖峰过电压，把电压限制在管子允许的范围。

实际电路中，电容与电阻串联组成过电压阻容吸收电路，如图2（b）所示。

串联电阻的作用如下。

（1）阻尼LTC电路振荡。

由于电路总有电感存在，在晶闸管阻断时，LT、C、R 与外电源刚好组成一个串联电路，如不串联电阻，电容两端将会产生比电源电压高得多的振荡电压，加到晶闸管上，可能使元器件损坏。

（2）限制晶闸管开通损耗与电流上升率。

因晶闸管承受正向电压未导通时，电容上已充电，极性如图2（b）所示。

在元器件触发导通的瞬间，电容立即经管子放电，若没有电阻限流，这个放电电流峰值很大，不仅增加管子开通损耗，而且流过管子的电流上升率过大，可能使管子损坏。

阻容吸收电路要尽量靠近晶闸管，引线要短，最好采用无感电阻，以取得较好的保护效果。

2.交流侧过电压及保护由于交流侧电路在接通、断开时出现的暂态过程，所以，在晶闸管整流桥路输入端会出现过电压，也称为交流侧操作过电压，通常发生在下列几种情况下。

（1）当高压电源供电或变压比很大的变压器在高压侧合闸的瞬间，由于一、二次绕组之间存在分布电容，故一次侧高压经分布电容耦合到二次侧，出现瞬时过电压。

绕组间的分布电容很小，只要在单相变压器一次侧或在三相变压器二次侧星形中点与地之间，并联适当的电容，其电容量远大于分布电容（一般取0.5μF即可），就能显著减小这种过电压。

（2）与整流装置并联的其他负载切断时或整流装置直流侧开关切断时，因电源回路电感LT产生感应电势造成过电压。

（3）在整流变压器空载且电源电压过零时，变压器一次侧拉闸，因变压器励磁电流I0的突变，在二次侧感应出很高的瞬时过电压，如果没有保护措施，这种过电压尖峰值可达工作电压峰值的6倍以上，危害最为严重。

过电压波形如图3所示。

（4）交流电网遭受雷击或从电网侵入的干扰过电压，称为偶发性的浪涌过电压。

由于浪涌过电压能量大，持续时间长，通常采用阀型避雷器进行过电压保护。

交流侧操作过电压都是瞬时的尖峰电压，常用的过电压保护方法是并接阻容吸收电路，其接法如图4所示。

由于电容两端电压不能突变，故能有效地抑制尖峰过电压。

串联电阻的目的是为了在能量转化过程中消除部分能量，抑制LC回路的振荡。

只要适当地选择电容C的值，就可使电容电压UC小于变压器二次侧过电压的允许值。

对于大容量的装置，三相阻容吸收设备较庞大，可采用图4（d）所示整流式阻容吸收电路。

虽然多了一个三相整流桥，但只用一个电容，由于只承受直流电压，故可采用体积小得多的电解电容，而且还可以避免晶闸管导通时电容的放电电流通过管子。

阻容吸收保护简单可靠，应用较广泛，但会发生雷击或从电网侵入很大的浪涌电压，对于这种能量较大的过电压就不能完全抑制。

根据稳压管的稳压原理，目前较多采用非线性电阻吸收装置，通常用压敏电阻接入整流变压器二次侧，以吸收较大的过电压能量。

图3 过电压波形图4 交流侧阻容吸收电路的接法金属氧化物压敏电阻是近几年发展的一种新型过电压保护元件。

它是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，在每一颗氧化锌晶粒外面裹着一层薄薄的氧化铋，构成与硅稳压管类似的半导体结构，具有正反向都很陡的稳压特性，压敏电阻的伏安特性如图5所示。

正常工作时压敏电阻没有被击穿，漏电流极小（微安级），故损耗小，遇到尖峰过电压时，可通过高达数千安培的放电电流，因此抑制过电压的能力强。

此外，它还具有反应快、体积小、价格便宜等优点，是一种较理想的保护元件。

由于压敏电阻正反向特性对称，因此在单相电路中用一个压敏电阻，而在三相电路中用三个压敏电阻接成星形或三角形，图4所示的R、C位置换成压敏电阻即可实现保护。

压敏电阻的主要缺点是持续平均功率太小，仅有数瓦，一旦工作电压超过它的额定电压，很短时间内就被烧毁。

压敏电阻的主要特性参数如下。

（1）标称电压U1mA：指流过直流电流为1mA时压敏电阻两端的电压值。

（2）流通容量：用前沿8μs，脉冲宽度为20μs的波形冲击电流，每隔5min 冲击一次，共冲击10次，标称电压变化在10%以内的最大冲击电流值（单位为kA）。

（3）残压比UY/U1mA：放电电流达到规定值IY时的电压UY与标称电压U1mA之比。

压敏电阻的标称电压可按U1mA=1.3√2U选取，其中，U为压敏电阻两端正常工作时承受的电压有效值。

各种过电压保护措施及位置如图6所示，各电力电子装置可根据具体情况采用其中几种保护方式。

图5 压敏电阻的伏安特性图6 各种过电压保护措施及位置晶闸管的过电流保护晶闸管体积小、热容量小，特别是在高电压、大电流情况下应用时，结温须严格控制。

当晶闸管中电流大于额定值时，热量来不及散发，使结温迅速升高，最终导致管芯被烧毁。

产生过电流的原因很多，如变流装置本身的功率器件损坏；驱动电路发生故障；控制系统发生故障；交流电压过高、过低或者缺相；负载过载或短路；相邻设备故障影响等，都是导致晶闸管过电流因素。

过电流保护较常用的方法有以下几种。

（1）快速熔断器保护。

快速熔断器是最简单有效的过电流保护器件。

快速熔断器的熔体是由银质熔丝（片）埋于石英砂内。

它与普通熔断器相比，具有快速熔断的特性，熔断时间小于20ms，可在晶闸管损坏之前快速熔断，切断短路故障回路。

快速熔断器的使用一般有如图7所示的三种接法，其中在桥臂中串接熔断器的保护效果最好，但使用的熔断器较多。

图7（c）所示是在直流侧接一只熔断器，它只能保护负载出现的故障，当晶闸管本身短路时则无法起保护作用。

图7 快速熔断器保护的接法选择快速熔断器时要注意如下。

①快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。

②快速熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流，串于桥臂中的快速熔断器熔体的额定电流有效值可按下式求取。

1.57IT（AV）≥IFU≥ITM式中 IT（AV）——被保护晶闸管的额定电流；IFU——熔断器熔体电流有效值；ITM——流过晶闸管电流有效值。

（2）电子线路控制的过电流保护电路如图8所示，它可在过电流时快速对触发脉冲实现移相控制，及时封锁整流电路；也可在过电流时切断主电路电源，达到保护目的。

图8 过电流保护电路过电流保护过程：通过电流互感器T检测主回路的电流大小，一旦出现过电流，电流反馈电压Ufi增大，稳压管VSl被击穿，晶体管VTl导通。

一方面，由于VT1导通，集电极变为低电位，VS2截止。

输出高电平去控制触发电路，使触发脉冲α迅速增大，使主电路输出电压迅速下降，负载电流也迅速减小，达到限制电流的目的。

另一方面，由于VTl导通使继电器KA得电并自锁，主电路接触器KM失电断开，切断交流电源，实现过电流保护；调节电位器RP，可调节被限制的电流大小；HL为过流指示灯，过电流故障排除后，按下SB按钮，使保护电路恢复状态。

在大容量的电力变流系统中，通常将电子过电流保护装置、快速熔断器及其他继电保护措施同时使用。

一般情况下，总是让电子过电流保护装置等措施先起保护作用，而快速熔断器作为最后一道保护，以尽量避免直接烧断快速熔断器。

除了上述过电压和过电流保护措施之外，通常还在交流侧或者整流电路的每个桥臂中串入空心电感或套入磁环（电感量为20～30μH），用于限制电压变化率du/dt、电流变化率di/dt。

对一些重要的且易发生短路的设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。

除了对电动机启动的冲击电流等变化较慢的过电流，可以利用控制系统本身调节器对电流的限制作用之外，需设置专门的过电流保护电子电路，检测到过电流之后直接调节触发或驱动电路，或者关断被保护器件。

过电流保护措施如图9所示。

图9 过电流保护措施。