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有哪些方法可以保護可控矽不被損壞?
- 2019-12-13-

過電壓保護

晶閘管對過電壓很敏感,當正向電壓超過其斷態重複峰值電壓UDRM一定值時晶閘管就會誤導通,引發電路故障;當外加反向電壓超過其反向重複峰值電壓URRM一定值時,晶閘管就會立即損壞。因此,必須研究過電壓的產生原因及抑製過電壓的方法。

過電壓產生的原因主要是供給的電功率或係統的儲能發生了激烈的變化,使得係統來不及轉換,或者係統中原來積聚的電磁能量來不及消散而造成的。主要發現為雷擊等外來衝擊引起的過電壓和開關的開閉引起的衝擊電壓兩種類型。由雷擊或高壓斷路器動作等產生的過電壓是幾微秒至幾毫秒的電壓尖峰,對晶閘管是很危險的。由開關的開閉引起的衝擊電壓又分為如下幾類:

(1)交流電源接通、斷開產生的過電壓

例如,交流開關的開閉、交流側熔斷器的熔斷等引起的過電壓,這些過電壓由於變壓器繞組的分布電容、漏抗造成的諧振回路、電容分壓等使過電壓數值為正常值的2至10多倍。一般地,開閉速度越快過電壓越高,在空載情況下斷開回路將會有更高的過電壓。

(2)直流側產生的過電壓

如切斷回路的電感較大或者切斷時的電流值較大,都會產生比較大的過電壓。這種情況常出現於切除負載、正在導通的晶閘管開路或是快速熔斷器熔體燒斷等原因引起電流突變等場合。

(3)換相衝擊電壓

包括換相過電壓和換相振蕩過電壓。換相過電壓是由於晶閘管的電流降為0時器件內部各結層殘存載流子複合所產生的,所以又叫載流子積蓄效應引起的過電壓。換相過電壓之後,出現換相振蕩過電壓,它是由於電感、電容形成共振產生的振蕩電壓,其值與換相結束後的反向電壓有關。反向電壓越高,換相振蕩過電壓也越大。

針對形成過電壓的不同原因,可以采取不同的抑製方法,如減少過電壓源,並使過電壓幅值衰減;抑製過電壓能量上升的速率,延緩已產生能量的消散速度,增加其消散的途徑;采用電子線路進行保護等。目前最常用的是在回路中接入吸收能量的元件,使能量得以消散,常稱之為吸收回路或緩衝電路。

(4)阻容吸收回路

通常過電壓均具有較高的頻率,因此常用電容作為吸收元件,為防止振蕩,常加阻尼電阻,構成阻容吸收回路。阻容吸收回路可接在電路的交流側、直流側,或並接在晶閘管的陽極與陰極之間。吸收電路最好選用無感電容,接線應盡量短。

(5)由硒堆及壓敏電阻等非線性元件組成吸收回路

上述阻容吸收回路的時間常數RC是固定的,有時對時間短、峰值高、能量大的過電壓來不及放電,抑製過電壓的效果較差。因此,一般在變流裝置的進出線端還並有硒堆或壓敏電阻等非線性元件。硒堆的特點是其動作電壓與溫度有關,溫度越低耐壓越高;另外是硒堆具有自恢複特性,能多次使用,當過電壓動作後硒基片上的灼傷孔被溶化的硒重新覆蓋,又重新恢複其工作特性。壓敏電阻是以氧化鋅為基體的金屬氧化物非線性電阻,其結構為兩個電極,電極之間填充的粒徑為10~50μm的不規則的ZNO微結晶,結晶粒間是厚約1μm的氧化鉍粒界層。這個粒界層在正常電壓下呈高阻狀態,隻有很小的漏電流,其值小於100μA。當加上電壓時,引起了電子雪崩,粒界層迅速變成低阻抗,電流迅速增加,泄漏了能量,抑製了過電壓,從而使晶閘管得到保護。浪湧過後,粒界層又恢複為高阻態。壓敏電阻的特性主要由下麵幾個參數來表示。

標稱電壓:指壓敏電阻流過1mA直流電流時,其兩端的電壓值。

通流容量:是用前沿8微秒、波寬20微秒的波形衝擊電流,每隔5分鍾衝擊1次,共衝擊10次,標稱電壓變化在-10%以內的最大衝擊電流值來表示。

因為正常的壓敏電阻粒界層隻有一定大小的放電容量和放電次數,標稱電壓值不僅會隨著放電次數增多而下降,而且也隨著放電電流幅值的增大而下降,當大到某一電流時,標稱電壓下降到0,壓敏電阻出現穿孔,甚至炸裂;因此必須限定通流容量。

漏電流:指加一半標稱直流電壓時測得的流過壓敏電阻的電流。

由於壓敏電阻的通流容量大,殘壓低,抑製過電壓能力強;平時漏電流小,放電後不會有續流,元件的標稱電壓等級多,便於用戶選擇;伏安特性是對稱的,可用於交、直流或正負浪湧;因此用途較廣。

2、 過電流保護

由於半導體器件體積小、熱容量小,特別像晶閘管這類高電壓大電流的功率器件,結溫必須受到嚴格的控製,否則將遭至徹底損壞。當晶閘管中流過大於額定值的電流時,熱量來不及散發,使得結溫迅速升高,最終將導致結層被燒壞。

產生過電流的原因是多種多樣的,例如,變流裝置本身晶閘管損壞,觸發電路發生故障,控製係統發生故障等,以及交流電源電壓過高、過低或缺相,負載過載或短路,相鄰設備故障影響等。

晶閘管過電流保護方法最常用的是快速熔斷器。由於普通熔斷器的熔斷特性動作太慢,在熔斷器尚未熔斷之前晶閘管已被燒壞;所以不能用來保護晶閘管。快速熔斷器由銀製熔絲埋於石英沙內,熔斷時間極短,可以用來保護晶閘管。快速熔斷器的性能主要有以下幾項表征。

·熔斷特性:圖1為日產FA…F150C型快速熔斷器的特性曲線。一個周波過載能力有6倍,即快速熔斷器在6倍額定電流時在一個周波內即可熔化。

·分斷能力:表征短路時開斷的最大電流值。

·斷開時的瞬變電壓,即斷開時的電弧電壓:一般該電壓小於晶閘管的反向重複峰值電壓URRM值。

· 特性:快速熔斷器的限流過程如圖2所示,該曲線表示了快速熔斷器的溶化和消弧的過程,圖中OAMO所包圍的部分的叫做全斷開I2dt。該值表示快速熔斷器熔斷時所需要的能量大小。顯然,在使用中該值應小於所要保護的晶閘管允許的I2t值。

·使用中快速熔斷器的幾種不同的接法,如圖3所示。圖3(a)為快速熔斷器與晶閘管相串聯的接法:圖3(b)表示快速熔斷器接在交流側;圖3(c)表示快速熔斷器接在直流側,這種接法隻能保護負載故障情況,當晶閘管本身短路時無法起到保護作用。

除了快速熔斷器外,還有其他的過流保護方法,如過電流繼電器、過負荷繼電器、直流快速斷路器等。過電流繼電器常和門極斷開裝置安裝在一起,動作快,經1~2毫秒就可以使斷路器跳閘,其信號由交流側的電流互感器取得。當發生換相故障時有可能使斷路器動作,而快速熔斷器並不燒壞。過負荷繼電器是熱動型繼電器,安裝在交流側進線端,用於進線晶閘管過負荷的熱保護。直流快速熔斷器,它應先於快速熔斷器和可控矽動作,以避免經常更換快速熔斷器,從而降低運行費用。

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