第1章 晶闸管的串并联和保护

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（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。
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压敏电阻：
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（五）用RC抑制过电压
➢ 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。
(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。
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（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。
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➢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。
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➢ 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。
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（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。
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。
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➢ 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
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静电感应过 电压抑制电容
避雷器
变压器静 电屏蔽层
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阀侧浪涌过电压 抑制用RC电路
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阀侧浪涌过电压抑制用
三相整流式RC电路
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压敏电阻过 电压抑制器
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阀器件换相过电 压抑制用RC电路
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电力电子装置 可视具体情况只采 用其中的几种。
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。
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2. 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。
➢ 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
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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。
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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。
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电阻均流
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均流变压器
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器件并联时，必须降低电流的额定值使用：
( 0 .8 ~ 0 .9 ) n p I T (A ) V ( 1 .5 ~ 2 .0 ) I
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
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。
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➢ 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
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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后并的方法联接
➢ 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。
Ca Ra
Ca Ra
Ca Ra
Ca Ra
直流侧 阀侧 网侧
Rdc
Cdc
-
+
a)
Rdc
Cdc
-
+
b)
图1-35
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在变压器二次侧并联电阻电容，可以把变压器
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（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 i2dt表示。快熔的 i2dt值应 小于被保护器件的允许 i2dt值。
容放电的di/dt。
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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
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（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。
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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。
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➢ 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。
浪涌电流ITSM
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二. 过电流保护的一般方法
➢ 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
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➢ 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
其中RC3和 RCD为抑制内因过 电压的措施，属于 缓冲电 路范畴。
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直流侧RC 抑制电路
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阀器件关断过电压 抑制用RCD电路
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（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。
当负载短路或过载时电压比较器输出关闭控制门， 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。
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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
积。又可避免电容放电增加晶闸管的di/dt。
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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
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器件串联时，必须降低电压的额定值使用：
(0 .8 ~ 0 .9 )n s U T N (2 ~ 3 )U m
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
U TN (0 (.2 8~ ~3 0 ).U 9)m ns(2.2~3.8)U ns m
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➢ 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。
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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。
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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。
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➢ 静态均压措施 ➢ 选用参数和特性尽量一致的器件 ➢ 采 正、用反电向阻电均阻压小，得Rp多的阻值应比器件阻断时的
➢ 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
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（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。
流也较大，就会使晶闸管误导通。因此对du/dt有 一定限制。
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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。
平均电流
IT(A)V ((0 1 ..8 5~ ~0 2 ..9 0 ))n Ip(1.7~2.5)n Ip
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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