6种晶闸管（可控硅）保护电路解析（下）

二、晶闸管（可控硅）保护--过流保护

过电流

在短路情况下，过电流流过晶闸管，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、触发脉冲错位、连接电缆或负载故障导致转换器输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、负载持续过载和短路，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大，则故障电流被限制在晶闸管 的多周期浪涌额定值以下。在交流电路的情况下，如果忽略源电阻，则故障发生在峰值电压的瞬间。

2、在直流电路的情况下，故障电流受源电阻的限制。因此，如果源阻抗非常低，则故障电流非常大。该电流的快速上升会增加结温，因此晶闸管可能会损坏。因此，故障必须在其第一个峰值出现之前被清除，换句话说，故障电流必须在当前零位之前被中断。

晶闸管（可控硅）过流保护

过流保护的任务是在电路出现过流时，在元件烧坏之前迅速消除过流现象。晶闸管的过流保护主要有四种类型：

⑴ 灵敏的过流继电保护

继电器可以安装在交流或直流制动器中。当发生过流故障时，它会动作，使交通电源开关跳闸。由于过流继电器功率开关动作大约需要0.2S左右，所以必须配合措施限制过大的短路电流值，否则保护晶闸管来不及。

⑵ 限流和脉冲移相保护

交流电流互感器通过整流桥形成交流电流检测电路，得到能反映交流电流大小的电压信号，从而控制晶闸管的触发电路。

当整流器输出端过载，直流电流增大时，交流电流也随之增大。检测电路输出超过一定电压，使稳压管击穿，增加控制晶闸管的触发脉冲，降低输出电压。减小过载直流电流以达到限流目的，通过调节电位器可以调节负载限流值。

当出现严重的过流或短路时，故障电流迅速上升。此时限流控制可能无法生效，且电流已超过允许值。

为了在对大感性负载进行全控整流时尽快消除故障电流，可以控制晶闸管的触发脉冲快速增大到超出整流状态的移相范围，在整流状态下出现负电压。输出端瞬时，电路进入逆变状态，使故障电流减小，迅速衰减为零。

⑶ 直流快速开关保护

在容量大、要求高、短路频繁的场合，安装在直流侧的直流快速开关可用于直流侧的过载和短路保护。这种快速开关是专门设计的，其开关时间仅为0.2ms，总灭弧时间仅为25ms～30ms。

⑷ 高速熔断器保护

熔断器是最简单、最有效的保护元件。针对晶闸管和硅整流元件过流能力差的问题，特制了一种称为快速熔断器的快速熔断器。具有动作迅速的特点，流动时可达到额定电流的5倍。当熔断时间小于0.02s时，在正常的短路电流下，能保证在三极管损坏前迅速熔断短路电流，适用于短路保护场合。

下图显示了使用熔断器对可控硅进行过流保护的电路图。

晶闸管（可控硅）过流保护电路图

总之，过流保护是根据晶闸管允许的过流能力，试图用灵敏的保护措施来限制短路电流的峰值，使短路电流的持续时间尽可能短。

选择用于保护可控硅的熔断器必须满足以下条件：

• 熔断器的额定值必须能够连续承载满载电流加上一小段时间的边际过载电流。
• 保险丝的 I2t 额定值必须小于晶闸管的 I2t 额定值
• 在电弧期间，熔断器电压必须很高，以强制降低电流值。
• 中断电流后，保险丝必须承受任何限制电压。

三、晶闸管（可控硅）保护--高 dv/dt 保护

由于在晶闸管的阳极和阴极上施加正向电位，两个外部结正向偏置，但中间结将反向偏置。由于该结附近的耗尽区内存在电荷，因此它充当电容器，结电容为 C j。如果施加的阳极到阴极电压出现在包含电荷 Q 的耗尽区上，则充电电流 I c将为：

充电电流公式

结电容C j是不变的，因此dC j /dt 的值将为零。因此，

充电电流公式

从上面的等式可以清楚地看出，如果正向电压上升的速率会影响充电电流 I c，因为两者是成正比的。这里充电电流充当栅极电流，即使在没有实际栅极脉冲的情况下也会打开 SCR。因为这里的电流与施加电位的变化率相关，因此即使是很小的变化也可以打开设备。

晶闸管（可控硅）误触发的处理方法

为了防止晶闸管意外开启门，可以将电压缓冲电路与晶闸管并联使用。下图显示了缓冲电路，其中电阻和电容的串联组合与给定配置中的可控硅并联。

在这个电路中，电容器可以很好地处理误触发。当电路中的开关 S 闭合时，电路上会出现施加的电压。流动的电流将绕过电容器，晶闸管上的压降为零。到那时，电压将在电容器上积聚，因此将保持 SCR 的指定 dv/dt 额定值。因此，这将最终防止设备意外打开。

这里需要一个电阻与一个电容器串联吗？

从上面讨论的过程中，很明显，施加的电压对电容器 C 充电。但是当施加栅极脉冲并且 SCR 开启时，电容器开始通过晶闸管放电。

由于这将是一条低电阻路径，因此过大的电流可能会损坏晶闸管。为了防止这种损坏，必须限制放电电流，并且对于相同的大功率额定电阻R，与C串联放置。

这里必须在此处正确选择参数，调整它们以获得正确的结果。

四、晶闸管（可控硅）保护--高 di/dt 保护

由于在晶闸管的阳极和阴极上施加正向电位，两个外部结正向偏置，但中间结将反向偏置。由于该结附近的耗尽区内存在电荷，因此它充当电容器，结电容为 C j。如果施加的阳极到阴极电压出现在包含电荷 Q 的耗尽区上，则充电电流 I c将为：

充电电流公式

结电容C j是不变的，因此dC j /dt 的值将为零。因此，

充电电流公式

从上面的等式可以清楚地看出，如果正向电压上升的速率会影响充电电流 I c，因为两者是成正比的。这里充电电流充当栅极电流，即使在没有实际栅极脉冲的情况下也会打开 SCR。因为这里的电流与施加电位的变化率相关，因此即使是很小的变化也可以打开设备。

为了限制非常高的 di/dt 值，在电路中使用了一个与晶闸管串联的电感（Ls），该电感称为电流缓冲电感。

晶闸管（可控硅)保护电路--高 di/dt 保护

五、晶闸管（可控硅）保护--热保护

随着结温的升高，绝缘可能会失效。所以我们必须采取适当的措施来限制温升。

保护措施：我们可以通过将晶闸管安装在主要由铝（Al），铜（Cu）等高导热金属制成的散热器上来实现这一点。主要使用铝（Al），因为它成本低。晶闸管有几种类型的安装技术，例如 – 引线安装、螺柱安装、螺栓固定安装、压装安装等。

引线安装：在这种安装技术中，SCR 本身的外壳用作散热器。因此不需要额外的散热装置。因此，这种晶闸管保护技术通常用于低电流应用，通常小于一安培。

螺柱安装：晶闸管的阳极采用螺柱形式，拧到金属散热块上。

螺栓固定式安装：此处设备通过螺母螺栓机构连接到散热器。主要用于中小型额定电路。

压配合安装：这种安装是通过将整个 SCR 插入金属块中获得的。它用于高额定值电路。

Press-Pack 安装：这种安装用于晶闸管保护是通过在夹子的帮助下将晶闸管夹在散热器之间来获得的，它用于非常高额定值的电路。下图为晶闸管

带散热片的晶闸管（可控硅）

六、晶闸管（可控硅）保护--门保护

当我们处理晶闸管保护时，保护栅极电路免受过压和过流是一个非常重要的方面。我们已经讨论过，当存在过电压时，会导致晶闸管误触发。而由于过电流，结温可能会升高，从而损坏器件。

除此之外，当电源电路中存在瞬变时，栅极端会出现杂散信号。因此，晶闸管会因不需要的门控触发而开启。

因此，为了保护栅极端子免受此类作用，屏蔽电缆用于栅极保护。这种电缆的存在降低了感应电动势的机会，因此，晶闸管的不必要触发在很大程度上被最小化。具有上述所有措施的完整晶闸管保护电路如下所示。

具有基本电路元件的晶闸管（可控硅）保护电路

以上就是关于晶闸管（可控硅）波保护相关知识的讲解和梳理，希望能够对大家有帮助