晶閘管的保護(hù)電路原理

晶閘管保護(hù)電路原理分析

晶閘管的保護(hù)電路，大致可以分為兩種情況：一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護(hù)電路，檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸入電流，當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時(shí)，借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋短時(shí)內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài)，從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。

一.晶閘管的過流保護(hù)

晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過電流的原因可以分為兩類:一類是由于整流電路內(nèi)部原因, 如整流晶閘管損壞, 觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障等; 其中整流橋晶閘管損壞類較為嚴(yán)重, 一般是由于晶閘管因過電壓而擊穿,造成無正、反向阻斷能力，它相當(dāng)于整流橋臂發(fā)生永久性短路，使在另外兩橋臂晶閘管導(dǎo)通時(shí)，無法正常換流，因而產(chǎn)生線間短路引起過電流.另一類則是整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，這類情況時(shí)有發(fā)生，因?yàn)檎鳂虻呢?fù)載實(shí)質(zhì)是逆變橋, 逆變電路換流失敗，就相當(dāng)于整流橋負(fù)載短路。另外，如整流變壓器中心點(diǎn)接地，當(dāng)逆變負(fù)載回路接觸大地時(shí)，也會(huì)發(fā)生整流橋相對(duì)地短路。


1.對(duì)于第一類過流，即整流橋內(nèi)部原因引起的過流，以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí)，可以采用第一種保護(hù)措施，最常見的就是接入快速熔短器的方式。見圖1。快速熔短器的接入方式共有三種，其特點(diǎn)和快速熔短器的額定電流見表1。

表1：快速熔短器的接入方式、特點(diǎn)和額定電流

表2：整流電路型式與系數(shù)KC的關(guān)系表

2.對(duì)于第二類過流，即整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過電流，則應(yīng)當(dāng)采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。常見的電子保護(hù)原理圖如下

圖2：過流保護(hù)原理圖

二.晶閘管的過壓保護(hù)

晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過程中，會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時(shí)，設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)。

1.過電壓保護(hù)的第一種方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。見圖3和圖4。

2.過電壓保護(hù)的第二種方法是采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。常見的電子保護(hù)原理圖如下：

三.電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)

1.電流上升率di/dt的抑制

晶閘管初開通時(shí)電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以0.1mm/μs的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面，若晶閘管開通時(shí)電流上升率di/dt過大，會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi)。其有效辦法是在晶閘管的陽(yáng)極回路串聯(lián)入電感。如下圖:

2.電壓上升率dv/dt的抑制

加在晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt也應(yīng)有所限制,如果dv/dt過大，由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流，該電流可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用，使晶閘管正向阻斷能力下降，嚴(yán)重時(shí)引起晶閘管誤導(dǎo)通。
為抑制dv/dt的作用，可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路。如下圖：

四、為什么要在晶閘管兩端并聯(lián)阻容網(wǎng)絡(luò)

在實(shí)際晶閘管電路中，常在其兩端并聯(lián)RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)常稱為RC阻容吸收電路。

　　我們知道，晶閘管有一個(gè)重要特性參數(shù)－斷態(tài)電壓臨界上升率dlv/dlt。它表明晶閘管在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。若電壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的值，則會(huì)在無門極信號(hào)的情況下開通。即使此時(shí)加于晶閘管的正向電壓低于其陽(yáng)極峰值電壓，也可能發(fā)生這種情況。因?yàn)榫чl管可以看作是由三個(gè)PN結(jié)組成。

　　在晶閘管處于阻斷狀態(tài)下，因各層相距很近，其J2結(jié)結(jié)面相當(dāng)于一個(gè)電容C0。當(dāng)晶閘管陽(yáng)極電壓變化時(shí)，便會(huì)有充電電流流過電容C0，并通過J3結(jié)，這個(gè)電流起了門極觸發(fā)電流作用。如果晶閘管在關(guān)斷時(shí)，陽(yáng)極電壓上升速度太快，則C0的充電電流越大，就有可能造成門極在沒有觸發(fā)信號(hào)的情況下，晶閘管誤導(dǎo)通現(xiàn)象，即常說的硬開通，這是不允許的。因此，對(duì)加到晶閘管上的陽(yáng)極電壓上升率應(yīng)有一定的限制。

　　為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全運(yùn)行，常在晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。因?yàn)殡娐房偸谴嬖陔姼械?變壓器漏感或負(fù)載電感)，所以與電容C串聯(lián)電阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過電壓損壞晶閘管。同時(shí)，避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。

　　由于晶閘管過流過壓能力很差，如果不采取可靠的保護(hù)措施是不能正常工作的。RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)就是常用的保護(hù)方法之一。

五、整流晶閘管阻容吸收元件的選擇

電容的選擇:

C=(2.5-5)×10的負(fù)8次方×If
If=0.367Id
Id-直流電流值
如果整流側(cè)采用500A的晶閘管
可以計(jì)算C=(2.5-5)×10的負(fù)8次方×500=1.25-2.5μF
選用2.5μF，1kv 的電容器

電阻的選擇：

R=((2-4) ×535)/If=2.14-8.56
選擇10歐
PR=(1.5×(pfv×2πfc)的平方×10的負(fù)12次方×R)/2
Pfv=2u(1.5-2.0)
u=三相電壓的有效值