淺析晶閘管的過電壓保護(hù)

摘要：本文對(duì)造成變流裝置中的晶閘管因承受過電壓而損壞進(jìn)行了分析，針對(duì)損害原因，淺析了晶閘管產(chǎn)生過電壓的原因，并為生產(chǎn)實(shí)踐提供了過電壓保護(hù)的方法。

關(guān)鍵詞：晶閘管；過電壓；保護(hù)方法

中圖分類號(hào)：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 17-0000-02

晶閘管原稱可控硅，是硅晶體閘流管的簡(jiǎn)稱。它在變流裝置中作為一種大功率半導(dǎo)體器件。由于它具有體積小、重量輕、效率高、反應(yīng)快、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，因而在電力電子領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

但是在應(yīng)用中，變流裝置中的晶閘管對(duì)過電壓很敏感，由于缺乏保護(hù)措施或使用不當(dāng)，經(jīng)常易于損壞。因此如何對(duì)晶閘管進(jìn)行過電壓保護(hù)，以保證晶閘管器件正?？煽窟\(yùn)行，是不能忽視的一個(gè)問題。

1 產(chǎn)生過電壓的原因

在變流裝置中，當(dāng)晶閘管承受的反向電壓超過其反向擊穿電壓時(shí)，將會(huì)造成晶閘管反向擊穿而損壞。當(dāng)晶閘管承受的正向電壓超過其正向轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，就會(huì)造成晶閘管誤導(dǎo)通，使電路工作不正常，引發(fā)電路故障，甚至也會(huì)損壞晶閘管。過電壓是造成晶閘管電路故障的重要原因之一，產(chǎn)生過電壓的原因有如下幾種：

（1）由于晶閘管裝置的拉閘、合閘和晶閘管關(guān)斷等電磁過程引起的，稱為操作過電壓。

（2）由于雷擊等原因從電網(wǎng)侵入的浪涌電壓，稱為雷電過電壓。

2 晶閘管過電壓保護(hù)

按過電壓保護(hù)的部位，可分為：交流側(cè)保護(hù)、器件側(cè)保護(hù)和直流側(cè)保護(hù)。

2.1 交流側(cè)過電壓保護(hù)

2.1.1 交流側(cè)操作過電壓及其保護(hù)

由于操作交流側(cè)電源時(shí)，使電感元件聚集的能量驟然釋放所引起的瞬時(shí)過電壓，一般有以下幾種情況：

（1）由于變壓器一次、二次繞組之間存在分布電容，若在一次電壓峰值時(shí)合閘，一次高電壓將經(jīng)分布電容耦合到二次繞組上而出現(xiàn)瞬間過電壓。通?？梢栽谧儔浩鞫卫@組或在三相變壓器二次繞組的星形中點(diǎn)與地之間，并聯(lián)接入適當(dāng)?shù)碾娙荩ㄒ话銥?.5 F），或在一次繞組與二次繞組之間加屏蔽層，就可以顯著減小這種過電壓。

（2）變壓器空載時(shí)，一次繞組內(nèi)只有勵(lì)磁電流，而勵(lì)磁電流滯后電源電壓約900。當(dāng)電源電壓過零時(shí)，這時(shí)若突然斷閘，由于勵(lì)磁電流突變，所以在二次繞組感應(yīng)出很高的瞬時(shí)過電壓，其峰值可達(dá)電源電壓峰值的6倍以上，對(duì)晶閘管非常有害。

（3）當(dāng)變流裝置直接接到電源上時(shí)，由于相鄰負(fù)載電流的突然斷開，會(huì)在電源回路的電感上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電源電壓極性恰好是順極性相加而引起過電壓。

交流側(cè)操作過電壓都是瞬時(shí)的尖峰過電壓，抑制這種尖峰過電壓的有效方法是并聯(lián)阻容吸收電路。它是利用電容器兩端電壓不能夠突變的原理，將變壓器鐵心所釋放的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能量儲(chǔ)存起來，從而有效地仰制尖峰過電壓。阻容吸收電路的接法如圖1所示。

（a）單相連接 （b）三相Y連接

（c）三相D連接 （d）三相整流式

2.1.2 交流側(cè)浪涌過電壓及其保護(hù)

當(dāng)發(fā)生雷擊或從電網(wǎng)侵入更高的浪涌過電壓時(shí)，雖有阻容吸收電路保護(hù)，過電壓仍會(huì)突破允許值，因此，在采用阻容吸收電路保護(hù)的同時(shí)，可以用類似穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理的硒堆或壓敏電阻來保護(hù)，它們能把浪涌電壓抑制在晶閘管裝置允許的范圍內(nèi)。

（1）硒堆

硒堆就是成組串聯(lián)的硒整流片，其接法如圖2所示。

（a）單相連接 （b）三相Y連接 （c）三相D連接

圖2 硒堆保護(hù)的接法

采用硒堆保護(hù)能吸收較大的浪涌能量，但硒堆體積大，反向伏安特性不陡，長期放置不用會(huì)產(chǎn)生正向電阻增大，反向電阻減小的現(xiàn)象，使其性能變差，因而失去效用。所以使用前需先加50%的額定電壓約10分鐘，再加額定電壓2小時(shí)，才能恢復(fù)原有性能。所以硒堆不是理想的保護(hù)元件。

（2）壓敏電阻

壓敏電阻正常工作時(shí)，呈高阻態(tài)，遇到過電壓時(shí)，它被擊穿，可通過高達(dá)數(shù)千安的放電電流，因而抑制過電壓的能力非常強(qiáng)。此外，壓敏電阻還具有反應(yīng)快、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。所以可用它取代硒堆。壓敏電阻在保護(hù)電路中的接法如圖3所示。

（a）單相連接 （b）三相Y連接 （c）三相D連接

2.2 晶閘管關(guān)斷過電壓保護(hù)

晶閘管從導(dǎo)通變?yōu)樽钄鄷r(shí)，由于流過的電流相應(yīng)減小，即便減小到零，其內(nèi)部還殘留載流子，管子還沒有恢復(fù)阻斷能力。這些載流子在反向電壓的作用下，將產(chǎn)生較大的反向電流，使內(nèi)部殘存的載流子迅速消失，晶閘管立即關(guān)斷。此時(shí)，

反向電流減小的速度非常快，使線路電感上產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成關(guān)斷過電壓。這種由于晶閘管關(guān)斷過程引起的過電壓，稱關(guān)斷過電壓。其過電壓值可達(dá)工作電壓峰值的5～6倍，可能會(huì)導(dǎo)致晶閘管的反向擊穿，因此必須采取保護(hù)措施。

對(duì)于關(guān)斷過電壓，最常用的保護(hù)方法是在晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收電路，利用電容兩端電壓不能突變的特性，來吸收尖峰過電壓，把電壓限制在晶閘管允許的范圍內(nèi)，如圖4所示。串聯(lián)電阻的作用是：①阻尼LC電路的振蕩。②限制晶閘管開通損耗與電流上升率。

2.3 直流側(cè)過電壓保護(hù)

直流側(cè)是電感性負(fù)載時(shí)，在某種情況下，會(huì)發(fā)生浪涌過電壓，如圖5所示。當(dāng)整流橋中某兩橋臂突然阻斷時(shí)，因大電感Ld中電流突變，而感生出很高的電動(dòng)勢(shì)，并通過負(fù)載加在另外處于阻斷狀態(tài)的晶閘管上，因此有可能造成晶閘管硬開通而損壞。直流側(cè)過電壓保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同的方法，其參數(shù)的計(jì)算與選擇也相同，對(duì)于容量較小的裝置，可采用阻容吸收電路抑制過電壓；對(duì)于容量較大的裝置，當(dāng)采用阻容保護(hù)影響到系統(tǒng)的快速性時(shí)，應(yīng)選擇硒堆或壓敏電阻保護(hù)，如圖5電路中虛線部分所示。

在晶閘管的使用中，如能綜合利用上述幾種方法對(duì)晶閘管進(jìn)行過電壓保護(hù)，可大大減少由晶閘管引起的設(shè)備故障，使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

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[作者簡(jiǎn)介]趙國華（1982-），女，本科，講師，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。