6種晶閘管保護電路分享

眾所周知，晶閘管的應用十分廣泛，晶閘管是一種非常精密的半導體器件。在使用過程中，我們必須在其指定的范圍內(nèi)才能獲得所需要的輸出，但是由于過電壓、過電流等原因，晶閘管在運行過程中會面臨不同類型的威脅，因此為了保證電路的正常運轉，保證晶閘管的使用壽命，我們可以采取不同類型的晶閘管保護方案。 接下來將詳細講一下晶閘管保護的方法。 1、過壓保護 2、過流保護 3、高 dv/dt 保護 4、高 di/dt 保護 5、熱保護 6、門保護

一、晶閘管（可控硅）過壓保護

晶閘管（可控硅）對電壓非常敏感，當正向電壓超過斷態(tài)重復峰值電壓（UDRM）的某個值時，晶閘管會誤導通，導致電路故障。 當施加的反向電壓超過反向重復峰值電壓（URRM）的某個值時，將立即損壞。因此，有必要研究過電壓的原因和抑制過電壓的方法。 過電壓主要是由于供給的電力或系統(tǒng)的儲能發(fā)生劇烈變化，使系統(tǒng)沒有足夠的時間進行轉換，或者系統(tǒng)中原本積累的電磁能沒有及時消散。 下圖為過壓示例圖。

過壓示例

過電壓的種類

過電壓主要有兩種：一種是由雷擊等外部沖擊引起的，另一種是開關分閘和合閘引起的沖擊電壓。 雷擊或高壓斷路器動作產(chǎn)生的過電壓是幾微秒到幾毫秒的電壓尖峰，對晶閘管來說是非常危險的。而開關開合引起的沖擊電壓又分為以下幾類： 1）交流電源開合產(chǎn)生的過電壓 過電壓可能是由于交流開關的開合或交流熔斷器的熔斷引起的。由于變壓器繞組的分布電容、漏抗引起的諧振電路，過電壓值變?yōu)檎Ｖ档?～10倍。一般開合速度越快，過電壓就越高，在空載情況下斷開電路時該值會更高。 2) 直流側產(chǎn)生的過電壓 如果電路的電感大或者我們切斷電路時的電流值大，都會產(chǎn)生比較大的過電壓。這種情況經(jīng)常發(fā)生在電流突變時，由切斷負載、導通晶閘管開路或熔斷器快速熔斷引起。 3) 換相沖擊電壓 換相過電壓是晶閘管電流下降到0時，器件結層中殘留的載流子復合引起的，所以也稱為載流子積累效應引起的過電壓。 換相過電壓后，會發(fā)生換相振蕩過電壓。它是由電感和電容的諧振引起的振蕩電壓。其值與換相后的反向電壓有關。反向電壓越高，換向振蕩過電壓越大。

晶閘管（可控硅）保護電路--D 類：脈沖換向

晶閘管（可控硅）過電壓保護措施

針對形成過電壓的不同原因，可采用不同的抑制方法，如減小過電壓源、衰減過電壓幅值等；抑制過電壓能量的上升速率，延緩產(chǎn)生能量的耗散速率，增加其耗散路徑；使用電子電路進行保護。 最常見的方法是在回路中連接能量吸收元件以耗散能量，通常稱為吸收回路或緩沖電路。 當設備上出現(xiàn)浪涌電壓時，這些設備會在晶閘管上提供低電阻路徑。下圖顯示了使用晶閘管二極管和緩沖網(wǎng)絡對晶閘管進行過電壓保護。

晶閘管電壓保護電路圖 1) 晶閘管（可控硅）保護電路--阻容（RC）緩沖電路 通常，過電壓的頻率很高，因此電容通常用作吸收元件。為防止振蕩，常加阻尼電阻，形成阻容吸收電路。阻容吸收電路可以連接在電路的交流側和直流側，也可以并聯(lián)在晶閘管的正負極之間。吸收電路最好使用無感電容，布線盡量短。

晶閘管（可控硅）保護電路--反向極化 RC 緩沖電路

晶閘管（可控硅）保護電路--非極化緩沖電路 2）晶閘管（可控硅）保護電路--過壓撬棒電路 晶閘管過壓保護電路或保護電路連接在電源的輸出和地之間，選擇齊納二極管電壓略高于輸出軌的電壓。 通常，5 V電源可以與 6.2 V齊納二極管一起運行，當達到齊納二極管電壓時，電流將流過齊納二極管并觸發(fā)可控硅或晶閘管。 然后，這將提供對地短路，從而保護正在供電的電路免受任何損壞，并且還會熔斷保險絲，然后從串聯(lián)調節(jié)器中移除電壓。

晶閘管過壓保護電路 3）由非線性元件組成的吸收回路 上述阻容吸收電路的時間常數(shù)RC是固定的，有時不能將時間短、峰值高、能量大的過電壓放電，抑制過電壓的效果很差。因此，通常在轉換器的輸入和輸出線上也并聯(lián)了硒堆或壓敏電阻等非線性元件。 硒堆的工作電壓與溫度有關，溫度越低，耐壓越高。此外，硒堆具有自恢復性，可反復使用。過電壓作用后，硒基片上的燒孔又被溶解的硒覆蓋，工作特性再次恢復。 壓敏電阻是一種基于氧化鋅的金屬氧化物非線性電阻器。它有兩個電極，電極之間填充了粒徑為10-50μm的不規(guī)則ZNO微晶。并且在晶體之間存在約1μm的氧化鉍顆粒層。 該晶界層在正常電壓下處于高阻抗狀態(tài)，只有小于 100 μA 的小漏電流。當施加電壓時，引起電子雪崩，晶界層迅速進入低阻抗狀態(tài)。電流迅速增加，泄漏能量并抑制過電壓，從而保護晶閘管。浪涌后，晶界層恢復到高電阻狀態(tài)。 非線性電阻也稱為電壓鉗位裝置，如下圖所示：

電壓鉗位裝置 電壓鉗位裝置是一個非線性電阻，它連接在可控硅的陰極和陽極之間。電壓鉗位器件的電阻隨著電壓的增加而減小。 在正常工作條件下，電壓鉗位 (VC) 器件具有高電阻，僅吸收漏電流。當電壓浪涌出現(xiàn)時，電壓鉗位裝置提供低電阻，并在晶閘管上產(chǎn)生虛擬短路，因此，晶閘管兩端的電壓被鉗位到一個安全值。 當浪涌條件過電壓鉗位裝置返回高電阻狀態(tài)。例如電壓鉗位裝置： 1、硒閘流管二極管 2、金屬氧化物壓敏電阻 3、雪崩二極管抑制器

二、晶閘管（可控硅）保護--過流保護

過電流 在短路情況下，過電流流過晶閘管，這些短路要么是內(nèi)部的，要么是外部的。 內(nèi)部短路是由于可控硅不能阻擋正向或反向電壓、觸發(fā)脈沖錯位、連接電纜或負載故障導致轉換器輸出端子短路等原因造成的。外部短路是由以下原因引起的： 1、負載持續(xù)過載和短路，發(fā)生短路時，故障電流取決于源阻抗。如果在短路期間源阻抗足夠大，則故障電流被限制在晶閘管 的多周期浪涌額定值以下。在交流電路的情況下，如果忽略源電阻，則故障發(fā)生在峰值電壓的瞬間。 2、在直流電路的情況下，故障電流受源電阻的限制。因此，如果源阻抗非常低，則故障電流非常大。該電流的快速上升會增加結溫，因此晶閘管可能會損壞。因此，故障必須在其第一個峰值出現(xiàn)之前被清除，換句話說，故障電流必須在當前零位之前被中斷。

晶閘管（可控硅）過流保護

過流保護的任務是在電路出現(xiàn)過流時，在元件燒壞之前迅速消除過流現(xiàn)象。晶閘管的過流保護主要有四種類型： ⑴ 靈敏的過流繼電保護 繼電器可以安裝在交流或直流制動器中。當發(fā)生過流故障時，它會動作，使交通電源開關跳閘。由于過流繼電器功率開關動作大約需要0.2S左右，所以必須配合措施限制過大的短路電流值，否則保護晶閘管來不及。 ⑵ 限流和脈沖移相保護 交流電流互感器通過整流橋形成交流電流檢測電路，得到能反映交流電流大小的電壓信號，從而控制晶閘管的觸發(fā)電路。 當整流器輸出端過載，直流電流增大時，交流電流也隨之增大。檢測電路輸出超過一定電壓，使穩(wěn)壓管擊穿，增加控制晶閘管的觸發(fā)脈沖，降低輸出電壓。減小過載直流電流以達到限流目的，通過調節(jié)電位器可以調節(jié)負載限流值。 當出現(xiàn)嚴重的過流或短路時，故障電流迅速上升。此時限流控制可能無法生效，且電流已超過允許值。 為了在對大感性負載進行全控整流時盡快消除故障電流，可以控制晶閘管的觸發(fā)脈沖快速增大到超出整流狀態(tài)的移相范圍，在整流狀態(tài)下出現(xiàn)負電壓。輸出端瞬時，電路進入逆變狀態(tài)，使故障電流減小，迅速衰減為零。 ⑶ 直流快速開關保護 在容量大、要求高、短路頻繁的場合，安裝在直流側的直流快速開關可用于直流側的過載和短路保護。這種快速開關是專門設計的，其開關時間僅為0.2ms，總滅弧時間僅為25ms～30ms。 ⑷ 高速熔斷器保護 熔斷器是最簡單、最有效的保護元件。針對晶閘管和硅整流元件過流能力差的問題，特制了一種稱為快速熔斷器的快速熔斷器。具有動作迅速的特點，流動時可達到額定電流的5倍。當熔斷時間小于0.02s時，在正常的短路電流下，能保證在三極管損壞前迅速熔斷短路電流，適用于短路保護場合。 下圖顯示了使用熔斷器對可控硅進行過流保護的電路圖。

晶閘管（可控硅）過流保護電路圖 總之，過流保護是根據(jù)晶閘管允許的過流能力，試圖用靈敏的保護措施來限制短路電流的峰值，使短路電流的持續(xù)時間盡可能短。

選擇用于保護可控硅的熔斷器必須滿足以下條件：

熔斷器的額定值必須能夠連續(xù)承載滿載電流加上一小段時間的邊際過載電流。

保險絲的 I2t 額定值必須小于晶閘管的 I2t 額定值

在電弧期間，熔斷器電壓必須很高，以強制降低電流值。

中斷電流后，保險絲必須承受任何限制電壓。

三、晶閘管（可控硅）保護--高 dv/dt 保護

由于在晶閘管的陽極和陰極上施加正向電位，兩個外部結正向偏置，但中間結將反向偏置。由于該結附近的耗盡區(qū)內(nèi)存在電荷，因此它充當電容器，結電容為 C j。如果施加的陽極到陰極電壓出現(xiàn)在包含電荷 Q 的耗盡區(qū)上，則充電電流 I c將為：

充電電流公式 結電容C j是不變的，因此dC j /dt 的值將為零。因此，

充電電流公式 從上面的等式可以清楚地看出，如果正向電壓上升的速率會影響充電電流 I c，因為兩者是成正比的。這里充電電流充當柵極電流，即使在沒有實際柵極脈沖的情況下也會打開 SCR。因為這里的電流與施加電位的變化率相關，因此即使是很小的變化也可以打開設備。

晶閘管（可控硅）誤觸發(fā)的處理方法

為了防止晶閘管意外開啟門，可以將電壓緩沖電路與晶閘管并聯(lián)使用。下圖顯示了緩沖電路，其中電阻和電容的串聯(lián)組合與給定配置中的可控硅并聯(lián)。

在這個電路中，電容器可以很好地處理誤觸發(fā)。當電路中的開關 S 閉合時，電路上會出現(xiàn)施加的電壓。流動的電流將繞過電容器，晶閘管上的壓降為零。到那時，電壓將在電容器上積聚，因此將保持 SCR 的指定 dv/dt 額定值。因此，這將最終防止設備意外打開。 這里需要一個電阻與一個電容器串聯(lián)嗎？ 從上面討論的過程中，很明顯，施加的電壓對電容器 C 充電。但是當施加柵極脈沖并且 SCR 開啟時，電容器開始通過晶閘管放電。 由于這將是一條低電阻路徑，因此過大的電流可能會損壞晶閘管。為了防止這種損壞，必須限制放電電流，并且對于相同的大功率額定電阻R，與C串聯(lián)放置。 這里必須在此處正確選擇參數(shù)，調整它們以獲得正確的結果。

四、晶閘管（可控硅）保護--高 di/dt 保護

由于在晶閘管的陽極和陰極上施加正向電位，兩個外部結正向偏置，但中間結將反向偏置。由于該結附近的耗盡區(qū)內(nèi)存在電荷，因此它充當電容器，結電容為 C j。如果施加的陽極到陰極電壓出現(xiàn)在包含電荷 Q 的耗盡區(qū)上，則充電電流 I c將為：

充電電流公式 結電容C j是不變的，因此dC j /dt 的值將為零。因此，

充電電流公式 從上面的等式可以清楚地看出，如果正向電壓上升的速率會影響充電電流 I c，因為兩者是成正比的。這里充電電流充當柵極電流，即使在沒有實際柵極脈沖的情況下也會打開 SCR。因為這里的電流與施加電位的變化率相關，因此即使是很小的變化也可以打開設備。 為了限制非常高的 di/dt 值，在電路中使用了一個與晶閘管串聯(lián)的電感（Ls），該電感稱為電流緩沖電感。

晶閘管（可控硅)保護電路--高 di/dt 保護

五、晶閘管（可控硅）保護--熱保護

隨著結溫的升高，絕緣可能會失效。所以我們必須采取適當?shù)拇胧﹣硐拗茰厣?保護措施：我們可以通過將晶閘管安裝在主要由鋁（Al），銅（Cu）等高導熱金屬制成的散熱器上來實現(xiàn)這一點。主要使用鋁（Al），因為它成本低。晶閘管有幾種類型的安裝技術，例如 – 引線安裝、螺柱安裝、螺栓固定安裝、壓裝安裝等。 引線安裝：在這種安裝技術中，SCR 本身的外殼用作散熱器。因此不需要額外的散熱裝置。因此，這種晶閘管保護技術通常用于低電流應用，通常小于一安培。 螺柱安裝：晶閘管的陽極采用螺柱形式，擰到金屬散熱塊上。 螺栓固定式安裝：此處設備通過螺母螺栓機構連接到散熱器。主要用于中小型額定電路。 壓配合安裝：這種安裝是通過將整個 SCR 插入金屬塊中獲得的。它用于高額定值電路。 Press-Pack 安裝：這種安裝用于晶閘管保護是通過在夾子的幫助下將晶閘管夾在散熱器之間來獲得的，它用于非常高額定值的電路。下圖為晶閘管

帶散熱片的晶閘管（可控硅）

六、晶閘管（可控硅）保護--門保護

當我們處理晶閘管保護時，保護柵極電路免受過壓和過流是一個非常重要的方面。我們已經(jīng)討論過，當存在過電壓時，會導致晶閘管誤觸發(fā)。而由于過電流，結溫可能會升高，從而損壞器件。 除此之外，當電源電路中存在瞬變時，柵極端會出現(xiàn)雜散信號。因此，晶閘管會因不需要的門控觸發(fā)而開啟。 因此，為了保護柵極端子免受此類作用，屏蔽電纜用于柵極保護。這種電纜的存在降低了感應電動勢的機會，因此，晶閘管的不必要觸發(fā)在很大程度上被最小化。具有上述所有措施的完整晶閘管保護電路如下所示。

具有基本電路元件的晶閘管（可控硅）保護電路 審核編輯：陳陳