晶闸管装置的过电压保护

电力电子总复习2013.4一、电力电子器件1. 按可控性分：不可控-----功率二极管，用于工频整流的功率二极管也称为整流管，整流二极管属不控型器件，功率二极管在电力电子电路中的用途有整流．续流．能量反馈．隔离。

半控型-----晶闸管（SCR）．双向晶闸管电力电子器件。

全控型-----达林顿管、电力晶体管（GTR）．可关断晶闸管（GTO）．电力场效应晶体管（MOSFET）、绝缘柵双极型晶体管IGBT。

其中达林顿管、电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）属电流驱动型，电力场效应晶体管（MOSFET）、绝缘柵双极型晶体管IGBT属电压驱动型。

2. 晶闸管（SCR）（1）当晶闸管同时满足阳极和阴极之间加上正向电压．控制极加正向电压时，处于导通状态。

其他状态时晶闸管处于关断状态。

（2）当已导通的普通晶闸管满足阳极和阴极之间电流近似为零或小于维持电流、阳极和阴极之间加上反向电压．阳极和阴极之间电压为零时，晶闸管将被关断。

（3）在晶闸管的电流上升到其擎住电流后，去掉门极触发信号，晶闸管仍能维持导通。

（4）维持电流和擎住电流都表示使晶闸管维持导通的最小阳极电流，但它们应用的场合不同，分别用于判别晶闸管是否会被关断．是否能被触发导通。

（5）当晶闸管分别满足导通条件．关断条件时，可处于导通或阻断两种状态，可作为开关使用。

（6）晶闸管的额定电压是在正向重复峰值电压．反向重复峰值电压中取较小的一个。

若晶闸管正向重复峰值电压为500 V，反向重复峰值电压为700 V，则该晶闸管的额定电压是500V。

（7）若流过晶闸管的电流波形分别为全波、半波、导通角为1200或900的方波时，则其对应的电流波形系数分别为1.11．1.57．1.73．1.41。

（8）.将万用表置于R×l kΩ或R×10 kΩ挡，测量晶闸管阳极和阴极之间的正反向阻值时，原则上其值越大越好。

二、三相可控整流电路（一）、三相半波可控整流电路1. 电阻负载时，控制角α的移相范围为00～1500。

晶闸管换流过电压保护元件参数的优化崔成旺Ξ(天津大学电气与自动化工程学院,天津　300072)摘　要:以三相桥式全控整流电路为例,分析了晶闸管换流过电压的产生过程。

通过数学推导,找出换流尖峰电压与保护元件参数之间的关系。

给出了求保护元件参数最优解的工程化方法。

经现场使用,保护元件及晶闸管均工作安全可靠,证实了本方法的可行性。

关键词:换流过电压保护;缓冲器;晶闸管;最优化 晶闸管换流过程中,由于元件内部各PN 结层残存载流子复合产生反向电流[1]。

此电流在极短的时间内降至接近于零的数值,则有较大di Πdt 值,与回路电感形成的Ldi Πdt 的电压称为换流过电压。

为了减小换流尖峰电压必须在元件呈反向阻断特性时为反向恢复电流提供一个泄放回路,通常采取由电容电阻组成换流缓冲器支路与晶闸管元件并接来限制该尖峰电压值。

但在实际应用中由于参数选择未经理论论证,常根据经验值而定,许多装置中该尖峰电压仍然很高。

文献[2]对已运行的十几台40MW ～300MW 发电机晶闸管励磁装置进行现场测试,发现换流尖峰电压均达到阳极电压有效值的3倍左右,这样高的尖峰电压势必加速系统设备绝缘老化并影响运行可靠性。

换流缓冲器参数选择不当已成为急待解决的工程技术问题。

1.换流过电压产生过程图　晶闸管换流过程示意Ξ作者简介崔成旺(),男,河北廊坊人,天津大学电气与自动化工程学院电气工程专业级硕士研究生。

中国电力教育2006年研究综述与技术论坛专刊1:1977-04 三相全控桥如图1所示,现以VT 1和VT3的换流过程为例说明换流过电压的产生过程。

晶闸管交流装置运行在t1点处,VT 3触发导通。

由于交流侧存在漏抗使VT 1和VT 3处于并联导通进行换流,电源e1与e2两支路经晶闸管元件VT 1和VT 3而短路,有一短路电流I 反向流过VT1元件,此时VT1元件中电流为I V T1=I d -I 。

当运行到t2点时,I =I d 即I V T 1=0,负载电流I d 完全转换到由VT 3元件支路供给,似乎此时换流过程应该结束了,但是此时VT 1元件内部PN 结处仍有载流子,还需一个短暂时间间隔(通常仅有几微秒)进行泄放,故VT 1元件继续反向导通直至反向恢复电流I 0时才恢复阻断特性。

10.1晶闸管的导通条件是什么？导通后流过晶闸管的电流决定于什么？晶闸管由导通转变为阻断的条件是什么？阻断后它所承受的电压决定于什么？晶闸管的导通条件是:(1) 晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压。

（2）晶闸管的阳极和控制极通时加正相电压市晶闸管才能导通.导通后流过晶闸管的电流决定于(电压不变时)限流电阻(使用时由负载)决定.晶闸管由导通转变为阻断的条件是当减少阳极电压或增加负载电阻时,阳极电流随之减少,当阳极电流小于维持电流时,晶闸管便从导通状态转化维阻断状态.阻断后它所承受的电压决定于阳极和阴极的反向转折电压.10.2晶闸管能否和晶体管一样构成放大器？为什么？晶闸管不能和晶体管一样构成放大器,因为晶闸管只是控制导通的元件,晶闸管的放大效应是在中间的PN节上.整个晶闸管不会有放大作用.10.3试画出题10.3图中负载电阻R上的电压波形和晶闸管上的电压波形。

10.4 如题4如题10.4图所示，试问：①在开关S闭合前灯泡亮不亮？为什么？②在开关S闭合后灯泡亮不亮？为什么？③再把开关S断开后灯泡亮不亮？为什么？①在开关S闭合前灯泡不亮,因为晶闸管没有导通.②在开关S闭合后灯泡亮,因为晶闸管得控制极接正电,导通.③再把开关S断开后灯泡亮,因为晶闸管导通后控制极就不起作用了.10.5如题10.5图所示，若在t1时刻合上开关S，在t2时刻断开S，试画出负载电阻R上的电压波形和晶闸管上的电压波形。

10.6晶闸管的主要参数有哪些？晶闸管的主要参数有①断态重复峰值电压U DRE:在控制极断路何竟闸管正向阻断的条件下,可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压,其数值规定比正向转折电压小100V.①反向重复峰值电压U RRM:在控制极断路时,可以重复加在晶闸官元件上的反向峰值电压.②额定通态平均电流(额定正向平均电流)I T.③维持电流I H:在规定的环境温度和控制极断路时,维持元件导通的最小电流.10.7如何用万用表粗测晶闸管的好坏？良好的晶闸管,其阳极A与阴极K之间应为高阻态.所以,当万用表测试A-K间的电阻时,无论电表如何接都会为高阻态,而G-K间的逆向电阻比顺向电阻大.表明晶闸管性能良好. 10.8晶闸管的控制角和导通角是何含义？晶闸管的控制角是晶闸官元件承受正向电压起始到触发脉冲的作用点之间的点角度.导通角是晶闸管在一周期时间内导通得电角度.10.9有一单相半波可控整流电路，其交流电源电压U2=220V ,负载电阻R L=10 Ω,试求输出电压平均值U d的调节范围,当α=π/3，输出电压平均值U d和电流平均值I d 为多少？并选晶闸管.U d=1/2π∫απ√2sinwtd(wt)=0.45U2(1+cosα)/2=0.45*220(1+1)/2=99V输出电压平均值U d的调节范围0-99V当α=π/3时U d= 0.45U2(1+cosα)/2=0.45*220*（1+0.866）/2=92.4V输出电压平均值U d=92.4V电流平均值I d= U d/R L=92.4/10=9.24A10.10续流二极管有何作用？为什么？若不注意把它的极性接反了会产生什么后果？续流二极管作用是提高电感负载时的单相半波电路整流输出的平均电压。

收稿日期:1999209224作者简介:蓝元良(19702),男,湖南籍,工程师,主要从事FA CT S 及有源滤波方面的研究工作。

B OD 在晶闸管过电压保护中的应用研究蓝元良,汤广福,张　皎,金　钊(中国电力科学研究院,北京100085)摘要:本文描述了BOD 器件的物理结构及特性,论述了BOD 在晶闸管过电压保护应用中的典型电路设计及参数选择原则,最后通过TCR 工程具体实例,给出实验结果。

关键词:BOD ;晶闸管;过电压保护;TCR中图分类号:TN 355;TM 864 文献标识码:A 文章编号:100323076(2000)03200512041　前言随着电力电子技术的发展,特别是电力电子器件的发展,在工业和商业应用中,半控型器件如晶闸管逐渐被全控型器件如GTO 、IGB T 、M O SFET 等器件所取代,并朝着大功率与智能化方向发展。

但现阶段,在高电压、大电流应用领域中,如HVDC 、高压SV C 等,晶闸管仍然占有一席之地。

尤其是采用晶闸管技术的电力电子设备还没有真正退出历史舞台之前,如何使这些设备继续稳定可靠运行,仍具有很大的经济效益。

在应用中,由于电力电子器件其固有的脆弱性,单靠增加器件的设计裕度来增加整个设备的可靠性是一种不经济亦无必要的措施。

一般做法是采用各种保护措施来充分利用器件的容量。

BOD (B reak O ver D i ode )作为晶闸管的过电压保护器件,由于其快速性,只要保护电路设计参数选择合理,就能对晶闸管进行元件级可靠保护,特别是在晶闸管的串联应用中。

2　B OD 的物理结构及特性211　物理结构BOD 的英文名称为击穿二极管,其实它是一种具有四层结构的晶闸管,其剖面结构示意图见图1。

BOD 被击穿而完全导通,整个过程大约3～5Λs [1]。

由于在阴极采用了p +扩散的短路发射极结构,因而获得很高的d v d t 。

但由于其非对称结构,反向耐压低,一般低于10V 。

单元十三电力电子技术基础（教案）注：表格内黑体字格式为（黑体，小四号，1.25倍行距，居中）13.2晶闸管可控整流电路【教学过程】组织教学：1．检查出勤情况。

2．检查学生教材，习题册是否符合要求。

3．宣布上课。

引入新课：1．可控整流电路的作用是将交流电变换为电压大小可以调节的直流电，以供给直流用电设备，如直流电动机的转速控制、同步发电机的励磁调节、电镀和电解电源等，它主要利用晶闸管的单向导电性和可控性构成。

2．通过实物演示及列举实例，让学生了解桥式整流电路的原理及应用，从而激发他们的学习兴趣。

讲授新课：13.2晶闸管可控整流电路13.2.1整流电路可控整流电路的作用是将交流电变换为电压大小可以调节的直流电，以供给直流用电设备，如直流电动机的转速控制、同步发电机的励磁调节、电镀和电解电源等，它主要利用晶闸管的单向导电性和可控性构成。

13.2.1整流电路单相半波可控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少的优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。

比较常用的是半控桥式整流电路，简称半控桥，其电路如图13-2-1所示。

在变压器副边电压u的正半周（a端为正）时，T1和D2承受正向电压。

这时如对晶闸管T1引入触发信号，则T1和D2导通，电流的通路为a→T1→R L→D2→b图13-2-1 电阻性负载的单相半控桥式整流电路这时T2和D1都因承受反向电压而截止。

同样，在电压u的负半周时，T2和D1（讲解）（讲解）观看PPT：整流电路)承受正向电压。

这时，如对晶闸管T 2引入触发信号，则T 2和D 1导通，电流的通路为： b→T 2→R L →D 1→a图13-2-2 电阻性负载时单相半控桥式整流电路的电压与电流的波形这时T 1和D 2处于截止状态。

电压与电流的波形如图13-2-2所示。

桥式整流电路的输出电压的平均值为2cos 219.00a U U +⋅= (13-2-1)输出电流的平均值为2cos 19.000aR U R U I L L +⋅==(13-2-2) 13.2.2晶闸管的过电流、过电压保护1．晶闸管的过电流保护由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升而可能把PN 结烧坏，造成元件内部短路或开路。

浅析晶闸管的过电压保护摘要：本文对造成变流装置中的晶闸管因承受过电压而损坏进行了分析，针对损害原因，浅析了晶闸管产生过电压的原因，并为生产实践提供了过电压保护的方法。

关键词：晶闸管；过电压；保护方法中图分类号：tm862 文献标识码：a 文章编号：1007-9599 （2012） 17-0000-02晶闸管原称可控硅，是硅晶体闸流管的简称。

它在变流装置中作为一种大功率半导体器件。

由于它具有体积小、重量轻、效率高、反应快、可靠性好等优点，因而在电力电子领域获得广泛应用。

但是在应用中，变流装置中的晶闸管对过电压很敏感，由于缺乏保护措施或使用不当，经常易于损坏。

因此如何对晶闸管进行过电压保护，以保证晶闸管器件正常可靠运行，是不能忽视的一个问题。

1 产生过电压的原因在变流装置中，当晶闸管承受的反向电压超过其反向击穿电压时，将会造成晶闸管反向击穿而损坏。

当晶闸管承受的正向电压超过其正向转折电压时，就会造成晶闸管误导通，使电路工作不正常，引发电路故障，甚至也会损坏晶闸管。

过电压是造成晶闸管电路故障的重要原因之一，产生过电压的原因有如下几种：（1）由于晶闸管装置的拉闸、合闸和晶闸管关断等电磁过程引起的，称为操作过电压。

（2）由于雷击等原因从电网侵入的浪涌电压，称为雷电过电压。

2 晶闸管过电压保护按过电压保护的部位，可分为：交流侧保护、器件侧保护和直流侧保护。

2.1 交流侧过电压保护2.1.1 交流侧操作过电压及其保护由于操作交流侧电源时，使电感元件聚集的能量骤然释放所引起的瞬时过电压，一般有以下几种情况：（1）由于变压器一次、二次绕组之间存在分布电容，若在一次电压峰值时合闸，一次高电压将经分布电容耦合到二次绕组上而出现瞬间过电压。

通常可以在变压器二次绕组或在三相变压器二次绕组的星形中点与地之间，并联接入适当的电容（一般为0.5 f），或在一次绕组与二次绕组之间加屏蔽层，就可以显著减小这种过电压。

（2）变压器空载时，一次绕组内只有励磁电流，而励磁电流滞后电源电压约900。

多选题高级工齐您的姓名： [填空题] *_________________________________1. 下列选项是PLC控制系统设计原理的是（） *A.保证控制系统的安全，可靠(正确答案)B.最大限度地满足生产机械或生产流程对电气控制的要求(正确答案)C.在选择PLC是要求输入输出点数全部使用D.在满足控制系统要求的前提下，力求使系统简单经济操作和维护(正确答案)2. 集成电路按照制造工艺可分为（） *A.半导体集成电路(正确答案)B.薄膜集成电路(正确答案)C.数字集成电路D.厚膜集成电路(正确答案)3. 造成逆变失败的主要原因是（）. *A.控制角太小B.逆变角太小(正确答案)C.逆变角太大D.触发脉冲太宽E.触发脉冲丢失(正确答案)4. 运算放大器目前应用很广泛的实例有（） *A. 恒压源和恒流源(正确答案)B. 逆变D. 锯齿波发生器(正确答案)E. 自动检测电路(正确答案)5. （）是斩波器的基础 *A. 降压斩波器门(正确答案)B. 升压斩波器(正确答案)C. 升降压斩波器D. 库克变换电路6. PLC用户程序执行过程分为（）三个阶段. *A. 循环扫描B. 输入采样(正确答案)C. 程序处理(正确答案)D. 输出刷新(正确答案)7. 带电流正反馈的电压负反馈直流调速系统中，电压负反馈，电流正反馈是性质完全不同的两种控制作用，具体来说（） *A. 电压负反馈是补偿环节B. 电压负反馈不是补偿环节而是反馈环节(正确答案)C. 电压正反馈是补偿环节，也是反馈环节D. 电流正反馈不是补偿环节也不是反馈环节门E. 电流正反馈是补偿环节不是反馈环节(正确答案)8. 带有反馈的电路包含有（）部分. *A. 振荡电路B. 基本放大电路(正确答案)D. 加法电路E. 减法电路9. 晶闸管装置常采用的过电压保护有（）. *A. 压敏电路(正确答案)B. 硒堆(正确答案)C. 阻容吸收(正确答案)D. 灵敏过电流继电器E. 限流与脉冲移相10. 井下低压供电系统中，短路种类有（）. *A. 三相短路(正确答案)B. 单相C. 两相短路(正确答案)D. 对地短路11. 母排采用（）方法联接，以防止热胀冷缩 *A. 软联接(正确答案)B. 伸缩节(正确答案)C. 硬联接D. 电缆联接(正确答案)12. 平型带转动的开形式有（） *A. 开口式传动(正确答案)B. 交叉式传动(正确答案)C. 封闭式传动D. 半交叉式传动(正确答案)13. 若要测量非正弦周期电压或电流的有效值，应选用（）来进行 *A. 磁电系仪表B. 整流系仪表C. 电磁系仪表(正确答案)D. 电动系仪表(正确答案)14. 通过编制（），即将PLC内部的逻辑关系按照控制工艺进行组合，以达到一定的逻辑功能 *A. 梯形图(正确答案)B. 用户程序C. 指令语句表D. 系统程序(正确答案)15. 以下关于串联反馈的说法（）是正确的. *A. 串联负反馈提高放大器的输入电阻(正确答案)B. 串联负反馈减小放大器的输入电阻C. 串联负反馈增大放大器的输出电阻D. 串联负反馈能稳定放大倍数(正确答案)E. 串联负反馈减小放大器的输出电阻16. 在STL指令后，（）的双线圈是不允许的. *A. 不同时激活B. 同时激活(正确答案)C. 无须激活D. 随机激活(正确答案)E. 定时器17. 中央预告信号装置在供电系统发生故障和不正常工作状态时发出（） *A. 电笛B. 光字信号(正确答案)C. 电铃(正确答案)D. 闪光18. PLC的输出类型有（）等输出形式. *A. 继电输出器(正确答案)B. 双向晶闸管输出(正确答案)C. 晶体管输出(正确答案)D. 二极管输出E. 光电耦合器输出19. 电弧造成的危害有（） *A. 延长短路电流通过时间(正确答案)B. 产生过电压C. 烧损设备(正确答案)D. 引起弧光短路(正确答案)20. 直流调速系统的静态指标有（） *A. 调速范围(正确答案)B. 机械硬度(正确答案)C. 静差率(正确答案)D. 转速E. 转矩21. 直流电机改善换向常用方法有（）。

晶闸管的过电压和过电流保护在电力电子电路中，为确保变流电路正常工作，除了适当选择电力电子器件参数、设计良好的驱动电路外，还要采用必要的保护措施，即过电压保护、过电流保护、du/dt及di/dt的限制。

晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力极差，当元件承受的反向电压超过其反向击穿电压时，即使时间很短，也会造成元器件反向击穿损坏。

如果正向电压超过晶闸管的正向转折电压，会引起晶闸管硬开通，它不仅使电路工作失常，且多次硬开通后元器件正向转折电压要降低，甚至失去正向阻断能力而损坏。

因此必须抑制晶闸管上可能出现的过电压，采取过电压保护措施。

1.晶闸管关断过电压及其保护晶闸管从导通到阻断时，和开关电路一样，因线路电感（主要是变压器漏感）释放能量会产生过电压。

由于晶闸管在导通期间，载流子充满元件内部，所以元器件在关断过程中，正向电流下降到零时，元器件内部仍残存着载流子。

这些积蓄载流子在反向电压作用下瞬时出现较大的反向电流，使积蓄载流子迅速消失，这时反向电流减小的速度极快，即di/dt极大。

晶闸管关断过程中电流与管压降的变化如图1所示。

因此，即使和元器件串联的线路电感L很小，电感产生的感应电势L（di/dt）值仍很大，这个电势与电源电压串联，反向加在已恢复阻断的元器件上，可能导致晶闸管的反向击穿。

这种由于晶闸管关断引起的过电压，称为关断过电压，其数值可达工作电压峰值的5～6倍，所以必须采取抑制措施。

如图2（a）所示，晶闸管两端的电压波形在管子关断的瞬时出现反向电压尖峰（毛刺）即为关断过电压。

当整流器输出端接续流二极管时，续流二极管由导通转为截止的瞬间，也是立即承受反向电压的，所以同样会产生关断过电压，故对续流二极管也应采取过电压保护措施。

图1 晶闸管关断过程中电流与管压降的变化图2 晶闸管关断过电压波形对于这种呈尖峰状的瞬时过电压，最常用的保护方法是在晶闸管两端并联电容，利用电容两端电压瞬时不能突变的特性，吸收尖峰过电压，把电压限制在管子允许的范围。