晶閘管保護(hù)電路分享

眾所周知，晶閘管的應(yīng)用十分廣泛，晶閘管是一種非常精密的半導(dǎo)體器件。在使用過程中，我們必須在其指定的范圍內(nèi)才能獲得所需要的輸出，但是由于過電壓、過電流等原因，晶閘管在運(yùn)行過程中會(huì)面臨不同類型的威脅，因此為了保證電路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證晶閘管的使用壽命，我們可以采取不同類型的晶閘管保護(hù)方案。

接下來將詳細(xì)講一下晶閘管保護(hù)的方法。

1、過壓保護(hù)

2、過流保護(hù)

3、高 dv/dt 保護(hù)

4、高 di/dt 保護(hù)

5、熱保護(hù)

6、門保護(hù)

一、晶閘管(可控硅)過壓保護(hù)

晶閘管(可控硅)對(duì)電壓非常敏感，當(dāng)正向電壓超過斷態(tài)重復(fù)峰值電壓(UDRM)的某個(gè)值時(shí)，晶閘管會(huì)誤導(dǎo)通，導(dǎo)致電路故障。

當(dāng)施加的反向電壓超過反向重復(fù)峰值電壓(URRM)的某個(gè)值時(shí)，將立即損壞。因此，有必要研究過電壓的原因和抑制過電壓的方法。

過電壓主要是由于供給的電力或系統(tǒng)的儲(chǔ)能發(fā)生劇烈變化，使系統(tǒng)沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原本積累的電磁能沒有及時(shí)消散。

下圖為過壓示例圖。

過壓示例

過電壓的種類

過電壓主要有兩種：一種是由雷擊等外部沖擊引起的，另一種是開關(guān)分閘和合閘引起的沖擊電壓。

雷擊或高壓斷路器動(dòng)作產(chǎn)生的過電壓是幾微秒到幾毫秒的電壓尖峰，對(duì)晶閘管來說是非常危險(xiǎn)的。而開關(guān)開合引起的沖擊電壓又分為以下幾類：

1)交流電源開合產(chǎn)生的過電壓

過電壓可能是由于交流開關(guān)的開合或交流熔斷器的熔斷引起的。由于變壓器繞組的分布電容、漏抗引起的諧振電路，過電壓值變?yōu)檎Ｖ档?～10倍。一般開合速度越快，過電壓就越高，在空載情況下斷開電路時(shí)該值會(huì)更高。

2) 直流側(cè)產(chǎn)生的過電壓

如果電路的電感大或者我們切斷電路時(shí)的電流值大，都會(huì)產(chǎn)生比較大的過電壓。這種情況經(jīng)常發(fā)生在電流突變時(shí)，由切斷負(fù)載、導(dǎo)通晶閘管開路或熔斷器快速熔斷引起。

3) 換相沖擊電壓

換相過電壓是晶閘管電流下降到0時(shí)，器件結(jié)層中殘留的載流子復(fù)合引起的，所以也稱為載流子積累效應(yīng)引起的過電壓。

換相過電壓后，會(huì)發(fā)生換相振蕩過電壓。它是由電感和電容的諧振引起的振蕩電壓。其值與換相后的反向電壓有關(guān)。反向電壓越高，換向振蕩過電壓越大。

晶閘管(可控硅)保護(hù)電路--D 類：脈沖換向

晶閘管(可控硅)過電壓保護(hù)措施

針對(duì)形成過電壓的不同原因，可采用不同的抑制方法，如減小過電壓源、衰減過電壓幅值等;抑制過電壓能量的上升速率，延緩產(chǎn)生能量的耗散速率，增加其耗散路徑;使用電子電路進(jìn)行保護(hù)。

最常見的方法是在回路中連接能量吸收元件以耗散能量，通常稱為吸收回路或緩沖電路。

當(dāng)設(shè)備上出現(xiàn)浪涌電壓時(shí)，這些設(shè)備會(huì)在晶閘管上提供低電阻路徑。下圖顯示了使用晶閘管二極管和緩沖網(wǎng)絡(luò)對(duì)晶閘管進(jìn)行過電壓保護(hù)。

晶閘管電壓保護(hù)電路圖

1) 晶閘管(可控硅)保護(hù)電路--阻容(RC)緩沖電路

通常，過電壓的頻率很高，因此電容通常用作吸收元件。為防止振蕩，常加阻尼電阻，形成阻容吸收電路。阻容吸收電路可以連接在電路的交流側(cè)和直流側(cè)，也可以并聯(lián)在晶閘管的正負(fù)極之間。吸收電路最好使用無感電容，布線盡量短。

晶閘管(可控硅)保護(hù)電路--反向極化 RC 緩沖電路

晶閘管(可控硅)保護(hù)電路--非極化緩沖電路

2)晶閘管(可控硅)保護(hù)電路--過壓撬棒電路

晶閘管過壓保護(hù)電路或保護(hù)電路連接在電源的輸出和地之間，選擇齊納二極管電壓略高于輸出軌的電壓。

通常，5 V電源可以與 6.2 V齊納二極管一起運(yùn)行，當(dāng)達(dá)到齊納二極管電壓時(shí)，電流將流過齊納二極管并觸發(fā)可控硅或晶閘管。

然后，這將提供對(duì)地短路，從而保護(hù)正在供電的電路免受任何損壞，并且還會(huì)熔斷保險(xiǎn)絲，然后從串聯(lián)調(diào)節(jié)器中移除電壓。

晶閘管過壓保護(hù)電路

3)由非線性元件組成的吸收回路

上述阻容吸收電路的時(shí)間常數(shù)RC是固定的，有時(shí)不能將時(shí)間短、峰值高、能量大的過電壓放電，抑制過電壓的效果很差。因此，通常在轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出線上也并聯(lián)了硒堆或壓敏電阻等非線性元件。

硒堆的工作電壓與溫度有關(guān)，溫度越低，耐壓越高。此外，硒堆具有自恢復(fù)性，可反復(fù)使用。過電壓作用后，硒基片上的燒孔又被溶解的硒覆蓋，工作特性再次恢復(fù)。

壓敏電阻是一種基于氧化鋅的金屬氧化物非線性電阻器。它有兩個(gè)電極，電極之間填充了粒徑為10-50μm的不規(guī)則ZNO微晶。并且在晶體之間存在約1μm的氧化鉍顆粒層。

該晶界層在正常電壓下處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，只有小于 100 μA 的小漏電流。當(dāng)施加電壓時(shí)，引起電子雪崩，晶界層迅速進(jìn)入低阻抗?fàn)顟B(tài)。電流迅速增加，泄漏能量并抑制過電壓，從而保護(hù)晶閘管。浪涌后，晶界層恢復(fù)到高電阻狀態(tài)。

非線性電阻也稱為電壓鉗位裝置，如下圖所示：

電壓鉗位裝置

電壓鉗位裝置是一個(gè)非線性電阻，它連接在可控硅的陰極和陽(yáng)極之間。電壓鉗位器件的電阻隨著電壓的增加而減小。

在正常工作條件下，電壓鉗位 (VC) 器件具有高電阻，僅吸收漏電流。當(dāng)電壓浪涌出現(xiàn)時(shí)，電壓鉗位裝置提供低電阻，并在晶閘管上產(chǎn)生虛擬短路，因此，晶閘管兩端的電壓被鉗位到一個(gè)安全值。

當(dāng)浪涌條件過電壓鉗位裝置返回高電阻狀態(tài)。例如電壓鉗位裝置：

1、硒閘流管二極管

2、金屬氧化物壓敏電阻

3、雪崩二極管抑制器

二、晶閘管(可控硅)保護(hù)--過流保護(hù)

過電流

在短路情況下，過電流流過晶閘管，這些短路要么是內(nèi)部的，要么是外部的。

內(nèi)部短路是由于可控硅不能阻擋正向或反向電壓、觸發(fā)脈沖錯(cuò)位、連接電纜或負(fù)載故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器輸出端子短路等原因造成的。外部短路是由以下原因引起的：

1、負(fù)載持續(xù)過載和短路，發(fā)生短路時(shí)，故障電流取決于源阻抗。如果在短路期間源阻抗足夠大，則故障電流被限制在晶閘管 的多周期浪涌額定值以下。在交流電路的情況下，如果忽略源電阻，則故障發(fā)生在峰值電壓的瞬間。

2、在直流電路的情況下，故障電流受源電阻的限制。因此，如果源阻抗非常低，則故障電流非常大。該電流的快速上升會(huì)增加結(jié)溫，因此晶閘管可能會(huì)損壞。因此，故障必須在其第一個(gè)峰值出現(xiàn)之前被清除，換句話說，故障電流必須在當(dāng)前零位之前被中斷。

晶閘管(可控硅)過流保護(hù)

過流保護(hù)的任務(wù)是在電路出現(xiàn)過流時(shí)，在元件燒壞之前迅速消除過流現(xiàn)象。晶閘管的過流保護(hù)主要有四種類型：

⑴ 靈敏的過流繼電保護(hù)

繼電器可以安裝在交流或直流制動(dòng)器中。當(dāng)發(fā)生過流故障時(shí)，它會(huì)動(dòng)作，使交通電源開關(guān)跳閘。由于過流繼電器功率開關(guān)動(dòng)作大約需要0.2S左右，所以必須配合措施限制過大的短路電流值，否則保護(hù)晶閘管來不及。

⑵ 限流和脈沖移相保護(hù)

交流電流互感器通過整流橋形成交流電流檢測(cè)電路，得到能反映交流電流大小的電壓信號(hào)，從而控制晶閘管的觸發(fā)電路。

當(dāng)整流器輸出端過載，直流電流增大時(shí)，交流電流也隨之增大。檢測(cè)電路輸出超過一定電壓，使穩(wěn)壓管擊穿，增加控制晶閘管的觸發(fā)脈沖，降低輸出電壓。減小過載直流電流以達(dá)到限流目的，通過調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)節(jié)負(fù)載限流值。

當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重的過流或短路時(shí)，故障電流迅速上升。此時(shí)限流控制可能無法生效，且電流已超過允許值。

為了在對(duì)大感性負(fù)載進(jìn)行全控整流時(shí)盡快消除故障電流，可以控制晶閘管的觸發(fā)脈沖快速增大到超出整流狀態(tài)的移相范圍，在整流狀態(tài)下出現(xiàn)負(fù)電壓。輸出端瞬時(shí)，電路進(jìn)入逆變狀態(tài)，使故障電流減小，迅速衰減為零。

⑶ 直流快速開關(guān)保護(hù)

在容量大、要求高、短路頻繁的場(chǎng)合，安裝在直流側(cè)的直流快速開關(guān)可用于直流側(cè)的過載和短路保護(hù)。這種快速開關(guān)是專門設(shè)計(jì)的，其開關(guān)時(shí)間僅為0.2ms，總滅弧時(shí)間僅為25ms～30ms。

⑷ 高速熔斷器保護(hù)

熔斷器是最簡(jiǎn)單、最有效的保護(hù)元件。針對(duì)晶閘管和硅整流元件過流能力差的問題，特制了一種稱為快速熔斷器的快速熔斷器。具有動(dòng)作迅速的特點(diǎn)，流動(dòng)時(shí)可達(dá)到額定電流的5倍。當(dāng)熔斷時(shí)間小于0.02s時(shí)，在正常的短路電流下，能保證在三極管損壞前迅速熔斷短路電流，適用于短路保護(hù)場(chǎng)合。

下圖顯示了使用熔斷器對(duì)可控硅進(jìn)行過流保護(hù)的電路圖。

晶閘管(可控硅)過流保護(hù)電路圖

總之，過流保護(hù)是根據(jù)晶閘管允許的過流能力，試圖用靈敏的保護(hù)措施來限制短路電流的峰值，使短路電流的持續(xù)時(shí)間盡可能短。

選擇用于保護(hù)可控硅的熔斷器必須滿足以下條件：

熔斷器的額定值必須能夠連續(xù)承載滿載電流加上一小段時(shí)間的邊際過載電流。

保險(xiǎn)絲的 I2t 額定值必須小于晶閘管的 I2t 額定值

在電弧期間，熔斷器電壓必須很高，以強(qiáng)制降低電流值。

中斷電流后，保險(xiǎn)絲必須承受任何限制電壓。

三、晶閘管(可控硅)保護(hù)--高 dv/dt 保護(hù)

由于在晶閘管的陽(yáng)極和陰極上施加正向電位，兩個(gè)外部結(jié)正向偏置，但中間結(jié)將反向偏置。由于該結(jié)附近的耗盡區(qū)內(nèi)存在電荷，因此它充當(dāng)電容器，結(jié)電容為 C j。如果施加的陽(yáng)極到陰極電壓出現(xiàn)在包含電荷 Q 的耗盡區(qū)上，則充電電流 I c將為：

充電電流公式結(jié)電容C j是不變的，因此dC j /dt 的值將為零。因此，

充電電流公式從上面的等式可以清楚地看出，如果正向電壓上升的速率會(huì)影響充電電流 I c，因?yàn)閮烧呤浅烧鹊?。這里充電電流充當(dāng)柵極電流，即使在沒有實(shí)際柵極脈沖的情況下也會(huì)打開 SCR。因?yàn)檫@里的電流與施加電位的變化率相關(guān)，因此即使是很小的變化也可以打開設(shè)備。

晶閘管(可控硅)誤觸發(fā)的處理方法

為了防止晶閘管意外開啟門，可以將電壓緩沖電路與晶閘管并聯(lián)使用。下圖顯示了緩沖電路，其中電阻和電容的串聯(lián)組合與給定配置中的可控硅并聯(lián)。

在這個(gè)電路中，電容器可以很好地處理誤觸發(fā)。當(dāng)電路中的開關(guān) S 閉合時(shí)，電路上會(huì)出現(xiàn)施加的電壓。流動(dòng)的電流將繞過電容器，晶閘管上的壓降為零。到那時(shí)，電壓將在電容器上積聚，因此將保持 SCR 的指定 dv/dt 額定值。因此，這將最終防止設(shè)備意外打開。

這里需要一個(gè)電阻與一個(gè)電容器串聯(lián)嗎?

從上面討論的過程中，很明顯，施加的電壓對(duì)電容器 C 充電。但是當(dāng)施加?xùn)艠O脈沖并且 SCR 開啟時(shí)，電容器開始通過晶閘管放電。

由于這將是一條低電阻路徑，因此過大的電流可能會(huì)損壞晶閘管。為了防止這種損壞，必須限制放電電流，并且對(duì)于相同的大功率額定電阻R，與C串聯(lián)放置。

這里必須在此處正確選擇參數(shù)，調(diào)整它們以獲得正確的結(jié)果。

四、晶閘管(可控硅)保護(hù)--高 di/dt 保護(hù)

由于在晶閘管的陽(yáng)極和陰極上施加正向電位，兩個(gè)外部結(jié)正向偏置，但中間結(jié)將反向偏置。由于該結(jié)附近的耗盡區(qū)內(nèi)存在電荷，因此它充當(dāng)電容器，結(jié)電容為 C j。如果施加的陽(yáng)極到陰極電壓出現(xiàn)在包含電荷 Q 的耗盡區(qū)上，則充電電流 I c將為：

充電電流公式結(jié)電容C j是不變的，因此dC j /dt 的值將為零。因此，

充電電流公式

從上面的等式可以清楚地看出，如果正向電壓上升的速率會(huì)影響充電電流 I c，因?yàn)閮烧呤浅烧鹊摹＿@里充電電流充當(dāng)柵極電流，即使在沒有實(shí)際柵極脈沖的情況下也會(huì)打開 SCR。因?yàn)檫@里的電流與施加電位的變化率相關(guān)，因此即使是很小的變化也可以打開設(shè)備。

為了限制非常高的 di/dt 值，在電路中使用了一個(gè)與晶閘管串聯(lián)的電感(Ls)，該電感稱為電流緩沖電感。

晶閘管(可控硅)保護(hù)電路--高 di/dt 保護(hù)

五、晶閘管(可控硅)保護(hù)--熱保護(hù)

隨著結(jié)溫的升高，絕緣可能會(huì)失效。所以我們必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硐拗茰厣?/p>

保護(hù)措施：我們可以通過將晶閘管安裝在主要由鋁(Al)，銅(Cu)等高導(dǎo)熱金屬制成的散熱器上來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。主要使用鋁(Al)，因?yàn)樗杀镜?。晶閘管有幾種類型的安裝技術(shù)，例如 – 引線安裝、螺柱安裝、螺栓固定安裝、壓裝安裝等。

引線安裝：在這種安裝技術(shù)中，SCR 本身的外殼用作散熱器。因此不需要額外的散熱裝置。因此，這種晶閘管保護(hù)技術(shù)通常用于低電流應(yīng)用，通常小于一安培。

螺柱安裝：晶閘管的陽(yáng)極采用螺柱形式，擰到金屬散熱塊上。

螺栓固定式安裝：此處設(shè)備通過螺母螺栓機(jī)構(gòu)連接到散熱器。主要用于中小型額定電路。

壓配合安裝：這種安裝是通過將整個(gè) SCR 插入金屬塊中獲得的。它用于高額定值電路。

Press-Pack 安裝：這種安裝用于晶閘管保護(hù)是通過在夾子的幫助下將晶閘管夾在散熱器之間來獲得的，它用于非常高額定值的電路。下圖為晶閘管

帶散熱片的晶閘管(可控硅)

六、晶閘管(可控硅)保護(hù)--門保護(hù)

當(dāng)我們處理晶閘管保護(hù)時(shí)，保護(hù)柵極電路免受過壓和過流是一個(gè)非常重要的方面。我們已經(jīng)討論過，當(dāng)存在過電壓時(shí)，會(huì)導(dǎo)致晶閘管誤觸發(fā)。而由于過電流，結(jié)溫可能會(huì)升高，從而損壞器件。

除此之外，當(dāng)電源電路中存在瞬變時(shí)，柵極端會(huì)出現(xiàn)雜散信號(hào)。因此，晶閘管會(huì)因不需要的門控觸發(fā)而開啟。

因此，為了保護(hù)柵極端子免受此類作用，屏蔽電纜用于柵極保護(hù)。這種電纜的存在降低了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的機(jī)會(huì)，因此，晶閘管的不必要觸發(fā)在很大程度上被最小化。具有上述所有措施的完整晶閘管保護(hù)電路如下所示。

具有基本電路元件的晶閘管(可控硅)保護(hù)電路

以上就是關(guān)于晶閘管(可控硅)保護(hù)相關(guān)知識(shí)的講解和梳理，希望能夠?qū)Υ蠹矣袔椭?br />
審核編輯：湯梓紅