第1章 晶闸管的串并联和保护

2020/1/19电力电子技术1第六章晶闸管的串并联和保护第一节晶闸管的串联和并联对较大型的整流装置，单个晶闸管的电压和电流定额远不能满足要求。在高电压和大电流的场合，必须把晶闸管的串联或并联起来应用，或者晶闸管装置串联或并联起来应用。2020/1/19电力电子技术2一.晶闸管的串联目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。静态不均压，串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用。反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。2020/1/19电力电子技术3静态均压措施选用参数和特性尽量一致的器件采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多2020/1/19电力电子技术4动态不均压——由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件。用RC并联支路作动态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异。2020/1/19电力电子技术5器件串联时，必须降低电压的额定值使用：mTNsUUn)3~2()9.0~8.0(式中：ns为串联器件数UTN为晶闸管额定电压Um作用于串联器件上的正反向峰值电压smsmTNnUnUU)8.3~2.2()9.0~8.0()3~2(2020/1/19电力电子技术6二.晶闸管的并联目的：多个器件并联来承担较大的电流问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀均流措施挑选特性参数尽量一致的器件采用均流电抗器用门极强脉冲触发也有助于动态均流当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接2020/1/19电力电子技术7电阻均流均流变压器2020/1/19电力电子技术8器件并联时，必须降低电流的额定值使用：IInAVTp)0.2~5.1()9.0~8.0()(式中：np为并联支路数IT（AV）为晶闸管额定电流I为允许过载时晶闸管一组（桥臂）的平均电流ppAVTnInII)5.2~7.1()9.0~8.0()0.2~5.1()(2020/1/19电力电子技术9电力MOSFET和IGBT并联运行的特点电力MOSFET并联运行的特点Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联电路走线和布局应尽量对称可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用IGBT并联运行的特点在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数在以上的区段则具有正温度系数并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联2020/1/19电力电子技术10第二节晶闸管的保护一.晶闸管的过电流及其保护晶闸管在规定的冷却条件下，通过两倍通态平均电流时，可经受的时间为0.5s；通过三倍通态平均电流时，可经受的时间为60ms；通过六倍通态平均电流时，可经受的时间为20ms；通过二十倍通态平均电流时，可经受的时间为10ms。浪涌电流ITSM2020/1/19电力电子技术11过电流——过载和短路两种情况常用措施：快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性二.过电流保护的一般方法2020/1/19电力电子技术12电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作2020/1/19电力电子技术13（一）快速熔断器（快熔）的过载特性与晶闸管的配合快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施曲线1是300A快熔的保护特性，表明流过快熔的电流越大，其熔断时间越短。当短路电流通过时，熔断时间可缩短到5ms以下。在额定电流下工作时，熔断时间为无穷大，可长期工作。2020/1/19电力电子技术14曲线2是额定电流200A晶闸管的过载特性。在交点A的左侧，快溶的熔断时间小于晶闸管达到额定结温所需时间，快熔起到保护作用。在A点的右侧快熔不起保护作用。再考虑到快熔和晶闸管的特性都有分散性，而且还随温度而变化，所以快熔用作短路保护是合适的，但不宜作过载保护。2020/1/19电力电子技术15（二）快速熔断器的主要参数1.额定电压根据熔断后快熔能实际承受的电压。有250、500、750、1000、1500V五个等级。2.额定电流指快熔能能长期通过的电流有效值。有10、50、100、200、350、500、750、1000A。3.允通能量通常用表示。快熔的值应小于被保护器件的允许值。为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。dti2dti2dti22020/1/19电力电子技术16快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件（很难用快熔保护），需采用电子电路进行过电流保护常在全控型器件的驱动电路中设置电子电路过电流保护环节，响应最快2020/1/19电力电子技术17（三）快速开关和过流继电器快速开关都用在直流电路，全分断时间最快为10ms。过流继电器有直流和交流两种，动作时间一般都是几百毫秒。在容易发生过流的装置中，加设快速开关或过流继电器。动作值整定得低些，当出现过流时，总是快速开关或过流继电器首先动作，即使动作速度不如快熔，也不致危及晶闸管。此后经过复位，又可恢复正常工作。2020/1/19电力电子技术18（四）利用反馈控制作过流保护的原理(电子电路过电流保护环节)保护特点：动作速度比上述任何一种过流保护电器都快。常用于容易发生短路的设备如逆变器中。但内部发生短路时还得靠快熔来保护。2020/1/19电力电子技术19偏移电压预先整定在使控制角90º的位置，使整流电压下降，抑制了短路电流，由于电路处于逆变状态，释放电抗器中的能量，直到逆变电压降低到晶闸管阻断。正常情况下，电流信号小于过电流整定值，电压比较器输出使控制门开，由给定电压控制触发系统工作，晶闸管正常导通。当负载短路或过载时电压比较器输出关闭控制门，2020/1/19电力电子技术20三.过电压及晶闸管的过电压保护（一）几种主要的过电压情况外因过电压和内因过电压外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因。(1)操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起。(2)雷击过电压：由雷击引起。2020/1/19电力电子技术21内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程(1)换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。(2)关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。2020/1/19电力电子技术22（二）过电压保护概述抑制过电压的方法：（1）用非线性元件限制过电压的幅度；（2）用电阻消耗过电压的能量；（3）用储能元件吸收过电压的能量。2020/1/19电力电子技术23避雷器变压器静电屏蔽层静电感应过电压抑制电容2020/1/19电力电子技术24阀侧浪涌过电压抑制用RC电路阀侧浪涌过电压抑制用三相整流式RC电路2020/1/19电力电子技术25压敏电阻过电压抑制器阀器件换相过电压抑制用RC电路2020/1/19电力电子技术26直流侧RC抑制电路阀器件关断过电压抑制用RCD电路电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。2020/1/19电力电子技术27（三）限制过电压的非线性元件1.硒堆若干片硒整流元件组成硒堆。具有较陡的反向非线性特性，当超过转折电压时，反向电流增加很快，消耗较大瞬时功率，过电压被限制在硒堆的反向击穿电压。每片硒片的额定电压有效值一般为20~30V。硒片的缺点是，长期不用反向电阻会下降。初次使用时，必须先加50%额定电压10min，再加额定电压2h，才能恢复其原有的反向伏安特性。2020/1/19电力电子技术282.金属氧化物压敏电阻击穿前漏电流为微安级，损耗小。击穿后能通过数千安的浪涌电流，但是每次击穿流过较大浪涌电流之后，击穿电压有所降低，因此不宜用于抑制频繁出现过电压的场合。2020/1/19电力电子技术29压敏电阻的主要参数：U1mA—漏电流为1mA时的额定电压值；U—放电电流达到规定值I使的电压；通流容量—在规定冲击电流波形下，允许通过的浪涌电流值；残压—压敏电阻通过电流时在其两端的电压降。非线性元件还有：转折二极管BOD、对称硅过电压抑制器SSOS等。2020/1/19电力电子技术30（四）用非线性元件抑制过电压硒堆正向为二极管特性，使用时将两组硒堆反向对接，使双向具有稳压管特性。2020/1/19电力电子技术31压敏电阻：2020/1/19电力电子技术32外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图。RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。+-+-a)b)网侧阀侧直流侧图1-35CaRaCaRaCdcRdcCdcRdcCaRaCaRa（五）用RC抑制过电压2020/1/19电力电子技术33在变压器二次侧并联电阻电容，可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。电容器电压不能突变，有效地抑制过电压。串联电阻能消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的振荡。2020/1/19电力电子技术34大容量电力电子装置可采用图示的三相整流式RC电路（P131图6-9）多用一组三相整流桥，只用一个电容，并因只承受直流电压，可采用体积小容量大的电解电容，缩小了保护装置的体积。又可避免电容放电增加晶闸管的di/dt。2020/1/19电力电子技术35直流侧保护可采用与交流侧保护相同的方法，阻容保护和非线性元件保护。在晶闸管两端并联阻容保护电路，抑制晶闸管关断过电压。晶闸管关断时，变压器电流可经RC续流，减小di/dt，抑制过电压。电阻可阻尼LC振荡，限制晶闸管开通时电容放电的di/dt。2020/1/19电力电子技术36四.晶闸管的du/dt和di/dt承受能力及保护（一）电压上升率du/dt在阻断状态下，晶闸管的J2结面相当于一个电容，如果突然受到正向阳极电压，就有充电电流流过门极与阴极的PN结，相当于流过一触发电流。当正向阳极电压上升率du/dt较大时，充电电流也较大，就会使晶闸管误导通。因此对du/dt有一定限制。2020/1/19电力电子技术37电压上升率du/dt过大的原因：1.由电网侵入的过电压。2.换相时相当于线电压短路，换相结束后线电压又升高，每一次换相都可能du/dt造成过大。限制du/dt过大可在电源输入端串联电抗器和晶闸管每个桥臂上串联电抗，利用电感的滤波特性，使du/dt降低。2020/1/19电力电子技术38（二）电流上升率di/dt晶闸管在正向阳极电压作用下，当门极流入触发电流后，最初的导通瞬间，主电流集中在门极附近，随着时间的增长，导通区才逐渐扩大，直到全部结面导通为止，这个过程约需几微秒到几十微秒。如果导通时电流上升率太大，则可能引起门极附近过热，造成晶闸管损坏。因此，对晶闸管的电流上升率di/dt必须有所限制。2020/1/19电力电子技术39电流上升率di/dt过大的原因：1.在晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护电路中的电容突然向晶闸管放电。2.交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电。3.直流侧负载突然短路。限制di/dt过大,除了在阻容保护电路中选择合适的电阻外，可在每个桥臂上与晶闸管串联一个电抗，与限制du/dt的方法相同。2020/1/19电力电子技