可控硅保护

在本教程中,我们将学习一些常用的可控硅保护技术,防止过电压,过电流,di/dt, dv/dt等。

介绍

为了令人满意和可靠的运行,一个可控硅的规定额定值不应超过由于过载,电压瞬变和其他异常条件。如果超过额定值,就有可能对可控硅造成永久性的损害。由于在关闭可控硅期间的反向恢复过程,电压过冲发生在可控硅。

此外,在打开期间,开关动作产生过电压存在电感。在短路的情况下,一个很大的电流流过可控硅,这是非常大的额定电流。因此,为了避免由于这些异常情况对可控硅产生不良影响,可控硅必须配备适当的保护电路。

一些保护技术用于可控硅包括过电压保护,过电流保护,dv/dt保护和di/dt保护。此外,为了在允许的温度范围内操作SCR,在连接处产生的热量必须消散。这可以通过使用散热器来实现。让我们简要讨论一下这些保护方法。

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过电压

过电压是可控硅失效的最大原因。这些瞬态过电压经常导致非预定的可控硅的打开。此外,如果反向瞬态电压超过整个可控硅的VBR,可能会导致可控硅的永久破坏。

产生这些过电压的原因有好几种,如整流、斩波、闪电等。根据这些电源,过电压分为两种类型,内部过电压和外部过电压。

内部过电压

当可控硅在工作时,内部过电压上升。在可控硅关断期间,一个反向电流继续流过可控硅后,阳极电流下降到零扫走早期储存的电荷。在反向恢复周期结束时,反向电流以较快的速度衰减。

由于电路的电感,这种高di/dt产生高电压。此电压值可能远远高于可控硅的额定值,因此可控硅可能被损坏。

外部过电压

这些电压来自电源或负载。其中一些是

  • 如果可控硅在一个由变压器供电的变换器电路中处于阻塞模式,一个小的磁化电流流过变压器的初级部分。如果一次侧开关突然被移开,在变压器的二次侧产生一个高电压瞬变,因此它被应用到整个可控硅。这个电压是可控硅的击穿电压的几倍。
  • 雷电冲击的高压直流系统,其中可控硅转换器是连接造成一个非常高的幅度的过电压。
  • 如果可控硅转换器电路连接到一个高感应负载,电流的突然中断在可控硅产生一个高电压。
  • 如果开关设置在直流侧,这些开关的突然操作将产生电弧电压。这也会引起整个可控硅过电压的上升。

过电压保护

为了保护可控硅不受瞬态过电压的影响,在一个换流电路中为每个可控硅提供了一个并联的R-C缓冲网络。这个缓冲网络保护可控硅防止反向恢复过程中引起的内部过电压。在可控硅被关闭或换向后,反向恢复电流被转移到由储能元件组成的缓冲电路。

输入侧的雷电和开关浪涌可能损坏变频器或变压器。通过在可控硅上使用夹压装置将这些电压的影响降到最低。因此,像金属氧化物压敏电阻、硒晶闸管二极管和雪崩二极管抑制器等箝位器件是最常用的。

随着电压的增加,这些器件具有电阻下降的特性。因此,当浪涌电压出现在器件上时,这些器件提供一个通过可控硅的低电阻路径。下图显示了使用晶闸管二极管和缓冲网络对可控硅过电压的保护。

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过流

在短路条件下,过电流流过可控硅。这些短路要么是内部的,要么是外部的。内部短路是由于可控硅不能阻挡正向或反向电压、触发脉冲不对中、连接电缆或负载故障导致转换器输出端子短路等原因引起的。外部短路是由持续过载和负载短路引起的。

在短路的情况下,故障电流取决于源阻抗。如果源阻抗在短路过程中是足够的,那么故障电流被限制在可控硅的多周期浪涌额定以下。在交流电路中,如果忽略源电阻,故障发生在电压峰值的瞬间。

在直流电路中,故障电流受到源电阻的限制。因此,当源阻抗很低时,故障电流就很大。该电流的快速上升增加结温度,因此可控硅可能损坏。因此,故障必须在出现其第一个峰值之前清除,换句话说,故障电流必须在当前零位置之前中断。

防止过电流

可控硅可以保护过电流使用传统过电流保护装置,如普通熔断器(HRC熔断器,可换线熔断器,半导体熔断器等),承包商,继电器和断路器。对于连续过载和长时间的浪涌电流,由于可控硅脱扣时间长,一般采用断路器保护可控硅。

对于断路器的有效脱扣,脱扣时间必须与可控硅额定值适当协调。此外,短持续时间的大浪涌电流(也称为次周期浪涌电流)通过将快速作用保险丝与可控硅串联来限制。

因此,必须选择适当的熔合时间和子周期额定值的协调,以可靠地防止过流。因此,熔断器和断路器的适当配合对可控硅的额定值至关重要。

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保护可控硅的熔断器的选择必须满足以下条件。

  • 保险丝的额定值必须能连续承载满载电流和一小段边际过载电流。
  • 保险丝的I2t额定值必须小于可控硅的I2t额定值
  • 在灭弧期间,熔断器电压必须较高,以强制降低电流值。
  • 断开电流后,保险丝必须能承受任何限制电压。

di/dt可控硅保护

阳极电流开始流过可控硅时,它是接通的栅极信号的应用。这个阳极电流需要一些有限的时间来扩散通过一个可控硅的结。为了使可控硅良好工作,该电流必须均匀地散布在结表面上。

如果阳极电流的上升速率(di/dt)很高,则会导致电流在结上不均匀的扩散。由于高电流密度,进一步导致在栅阴极结附近形成局部热点。这种影响可能会损坏可控硅由于过热。因此,在SCR的开机过程中,di/dt必须保持在规定的限值以下。

为了防止电流的高变化率,将电感器与晶闸管串联。典型的可控硅di/dt额定值范围在20- 500安培每微秒。

dv/dt SCR保护

当可控硅正向偏置,结J1和J3正向偏置,结J2反向偏置。这个反向偏置结J2表现出电容器的特性。因此,如果在可控硅上施加的正向电压率非常高,充电电流流过结J2是足够高的,即使没有任何门控信号打开可控硅。

这称为SCR的dv/dt触发,通常不使用,因为它是假触发过程。因此,阳极到阴极电压的上升速率,dv/dt必须在规定的限制,以保护可控硅防止错误触发。这可以通过在SCR上使用RC缓冲网络来实现。

缓冲电路的工作原理

正如我们上面讨论的,保护对高压反向恢复瞬态和dv/dt是通过使用一个RC缓冲电路实现的。该缓冲电路由串联电容和电阻组成,连接在SCR上。这也包括电感串联与可控硅,以防止高di/dt。电阻值为几百欧姆。用于可控硅保护的缓冲网络如下所示。

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当开关关闭时,一个突然的电压出现通过可控硅是旁路到RC网络。这是因为电容器作为一个短路,降低了整个可控硅的电压为零。随着时间的增加,电压通过电容建立在缓慢的速率,dv/dt通过电容太小,无法打开SCR。因此,通过SCR和电容器的dv/dt小于SCR的最大dv/dt额定值。

通常情况下,电容器被充电到一个等于最大电源电压,即可控硅的正向阻塞电压的电压。如果可控硅打开,电容开始放电,这导致一个高电流流过可控硅。

这会产生高di/dt,导致SCR损坏。因此,为了限制高di/dt和峰值放电电流,如图所示将一个小电阻与电容器串联。这些缓冲电路也可以连接到任何开关电路,以限制高浪涌或瞬态电压。

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