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。

简介

为了令人满意和可靠的运行，可控硅的规定额定值不应因过载、电压瞬变和其他异常情况而超过。如果超过了额定值，SCR就有可能永久损坏。由于反向恢复过程中关闭可控硅，电压超调发生在可控硅。

此外，在接通过程中，开关动作在电感存在的情况下产生过电压。在发生短路时，流经可控硅的大电流远远大于额定电流。因此，为了避免由于这些异常情况对可控硅产生不良影响，可控硅必须配备合适的保护电路。

一些用于可控硅的保护技术包括过电压保护，过电流保护，dv/dt保护和di/dt保护。此外，要在允许的温度范围内运行可控硅，必须驱散在连接处产生的热量。这可以通过使用散热器来实现。让我们简单讨论一下这些保护方法。

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可控硅的计划外打开。此外，如果反向瞬态电压大于可控硅上的VBR，则可能导致可控硅永久损坏。

出现这些过电压有几个原因，如换向、斩波、雷电等。根据这些源的不同，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

在可控硅工作时，内部过电压会产生。在关闭可控硅期间，反向电流继续流过可控硅后，阳极电流下降到零，扫走之前存储的电荷。这种反向电流在反向恢复周期结束时衰减速度更快。

由于电路的电感，这个高di/dt产生了高电压。该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

• 如果可控硅在变压器供电的转换电路中处于阻塞模式，则一个小的磁化电流通过变压器的一次电流。如果一次侧开关突然被拆除，在二次变压器中产生一个高压瞬态，因此它应用于可控硅。这个电压是可控硅的开断过电压的几倍。
• 在连接可控硅转换器的高压直流系统上，雷击涌流会造成非常高的过电压。
• 如果可控硅转换电路连接到高感性负载，电流的突然中断在可控硅上产生高电压。
• 如果开关位于直流侧，这些开关的突然操作会产生电弧电压。这也增加了可控硅的过电压。

过电压保护

为了保护可控硅不受瞬态过电压的影响，在转换电路中为每个可控硅提供了一个并行的R-C缓冲网络。这个缓冲器网络保护可控硅免受反向恢复过程中造成的内部过电压。在可控硅关闭或换向后，反向恢复电流被转移到由储能元件组成的缓冲器电路。

输入侧的雷电和开关浪涌可能损坏变流器或变压器。通过在可控硅上使用电压夹紧装置，这些电压的影响被最小化。因此，电压夹紧装置，如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是最常用的。

这些器件的电阻随电压的增加而下降。因此，当浪涌电压出现在整个器件上时，这些器件提供了穿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的过电压保护。

过流

在短路条件下，过电流流过可控硅。这些短路不是内部的就是外部的。内部短路的原因有可控硅无法阻断正向或反向电压、发射脉冲不对中、连接电缆或负载故障导致变换器输出端子短路等。外部短路是由持续过载和负载短路引起的。

在发生短路时，故障电流取决于源阻抗。如果在短路期间源阻抗足够，则故障电流被限制在可控硅的多周期浪涌额定值以下。在交流电路中，如果忽略源电阻，则故障发生在电压峰值瞬间。

在直流电路中，故障电流受源电阻的限制。因此，如果源阻抗很低，则故障电流非常大。电流的快速上升增加了结温，因此可控硅可能会损坏。因此，故障必须在其第一个峰值出现之前被清除，换句话说，故障电流必须在电流为零位置之前被中断。

防止过电流

可控硅可以使用传统的过电流保护装置，如普通熔断器(HRC熔断器，可修复熔断器，半导体熔断器等)，承包商，继电器和断路器保护过电流。通常对于长时间的连续过载和浪涌电流，由于可控硅脱扣时间长，采用断路器来保护可控硅。

要使断路器有效脱扣，脱扣时间必须与可控硅额定相协调。此外，通过将快速熔断器串联到可控硅上，可以限制短持续时间的大浪涌电流(也称为亚周期浪涌电流)。

因此，必须选择适当的熔合时间和次循环额定值，以实现对过电流的可靠保护。因此，熔断器和断路器的适当配合与可控硅的额定是必不可少的。

保护可控硅的熔断器的选择必须满足以下条件。

• 熔断器必须额定连续承载满负载电流加上一小段时间的边际过载电流。
• 保险丝的I2t额定值必须小于可控硅的I2t额定值
• 在起弧期间，熔断器电压必须高，以便使电流值下降。
• 熔断器在切断电流后，必须承受任何限制电压。

di/dt可控硅保护

阳极电流开始流经可控硅时，它是打开的应用门信号。这个阳极电流需要一些有限的时间来扩散穿过可控硅的接点。为了可控硅的良好工作，电流必须均匀地分布在结的表面。

如果阳极电流的上升速率(di/dt)很高，就会导致电流在结上不均匀地扩散。由于电流密度大，进一步导致在栅-阴极结附近形成局部热点。这种效果可能会损坏可控硅过热。因此，在可控硅的打开过程中，di/dt必须保持在规定的限制以下。

为了防止电流的高变化率，电感与可控硅串联在一起。典型的可控硅di/dt额定值在20- 500安培/微秒之间。

可控硅的保护

当可控硅正向偏置时，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，如果正向电压在可控硅上施加的速率非常高，通过结J2的充电电流足够高，即使没有任何门信号也能打开可控硅。

这被称为可控硅的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必须在规定的限度内，以保护可控硅防止错误触发。这可以通过在可控硅上使用RC缓冲网络来实现。

缓冲电路工作

正如我们上面讨论的，对高压反向恢复瞬态和dv/dt的保护是通过使用RC缓冲电路实现的。该缓冲器电路由串联的电容器和电阻组成，它们通过可控硅连接。这也包括一个电感串联在可控硅，以防止高di/dt。电阻值为几百欧姆。缓冲器网络用于保护可控硅如下所示。

当开关关闭时，一个突然的电压出现在可控硅上，它被绕过到RC网络。这是因为电容器作为一个短路，降低电压横跨可控硅为零。随着时间的增加，电容之间的电压以缓慢的速率建立，以致电容之间的dv/dt太小，无法打开可控硅。因此，通过可控硅和电容的dv/dt小于可控硅的最大dv/dt额定值。

通常，电容器被充电到一个电压等于最大的电源电压，这是可控硅的正向阻塞电压。如果可控硅是打开的，电容器开始放电，导致高电流流过可控硅。

这产生了高di/dt，导致损坏可控硅。因此，为了限制高di/dt和峰值放电电流，一个小电阻与电容串联，如上图所示。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。