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

对于令人满意和可靠的操作,由于过载,电压瞬变和其他异常情况,不应超过SCR的指定额定值。如果超过评级,则会将损坏永久地损坏。由于在关闭SCR期间反向恢复过程,SCR中发生电压过冲。

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SCR转换器电路连接到高感应负载,则电流的突然中断会产生跨SCR的高电压。
  • 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。

输入侧的闪电和切换浪涌可能会损坏转换器或变压器。通过在SCR上使用电压夹紧装置,这些电压的效果最小化。因此,最常用的是金属氧化物压敏电阻,硒雷丝器二极管和雪崩二极管抑制器等电压夹紧装置。

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DC电路的情况下,故障电流受到源电阻的限制。因此,如果源阻抗非常低,则故障电流非常大。这种电流的快速上升增加了结温,因此SCR可能会受损。因此,在发生故障之前必须清除故障,在其它单词中发生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。

  • 必须额定熔断器连续携带全负载电流加上一个小时期的边缘过载电流。
  • 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。

SCR的DI / DT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。

如果阳极电流的升高速率(DI / DT)高,结果在结杆点上的电流不均匀扩散。由于电流密度高,这进一步导致在栅极 - 阴极结附近形成局部热点。由于过热,这种效果可能会损坏SCR。因此,在转换SCR的过程期间,DI / DT必须保持在指定限度以下。

为防止电流的高速率,电感与晶闸管串联连接。典型的SCR DI / DT评级在每微秒20-500安培之间的范围内。

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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