浅析晶闸管的过电压保护

摘要：本文对造成变流装置中的晶闸管因承受过电压而损坏进行了分析，针对损害原因，浅析了晶闸管产生过电压的原因，并为生产实践提供了过电压保护的方法。

关键词：晶闸管；过电压；保护方法

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 17-0000-02

晶闸管原称可控硅，是硅晶体闸流管的简称。它在变流装置中作为一种大功率半导体器件。由于它具有体积小、重量轻、效率高、反应快、可靠性好等优点，因而在电力电子领域获得广泛应用。

但是在应用中，变流装置中的晶闸管对过电压很敏感，由于缺乏保护措施或使用不当，经常易于损坏。因此如何对晶闸管进行过电压保护，以保证晶闸管器件正常可靠运行，是不能忽视的一个问题。

1 产生过电压的原因

在变流装置中，当晶闸管承受的反向电压超过其反向击穿电压时，将会造成晶闸管反向击穿而损坏。当晶闸管承受的正向电压超过其正向转折电压时，就会造成晶闸管误导通，使电路工作不正常，引发电路故障，甚至也会损坏晶闸管。过电压是造成晶闸管电路故障的重要原因之一，产生过电压的原因有如下几种：

（1）由于晶闸管装置的拉闸、合闸和晶闸管关断等电磁过程引起的，称为操作过电压。

（2）由于雷击等原因从电网侵入的浪涌电压，称为雷电过电压。

2 晶闸管过电压保护

按过电压保护的部位，可分为：交流侧保护、器件侧保护和直流侧保护。

2.1 交流侧过电压保护

2.1.1 交流侧操作过电压及其保护

由于操作交流侧电源时，使电感元件聚集的能量骤然释放所引起的瞬时过电压，一般有以下几种情况：

（1）由于变压器一次、二次绕组之间存在分布电容，若在一次电压峰值时合闸，一次高电压将经分布电容耦合到二次绕组上而出现瞬间过电压。通常可以在变压器二次绕组或在三相变压器二次绕组的星形中点与地之间，并联接入适当的电容（一般为0.5 F），或在一次绕组与二次绕组之间加屏蔽层，就可以显著减小这种过电压。

（2）变压器空载时，一次绕组内只有励磁电流，而励磁电流滞后电源电压约900。当电源电压过零时，这时若突然断闸，由于励磁电流突变，所以在二次绕组感应出很高的瞬时过电压，其峰值可达电源电压峰值的6倍以上，对晶闸管非常有害。

（3）当变流装置直接接到电源上时，由于相邻负载电流的突然断开，会在电源回路的电感上产生感应电动势，感应电动势与电源电压极性恰好是顺极性相加而引起过电压。

交流侧操作过电压都是瞬时的尖峰过电压，抑制这种尖峰过电压的有效方法是并联阻容吸收电路。它是利用电容器两端电压不能够突变的原理，将变压器铁心所释放的磁场能量转化为电容器的电场能量储存起来，从而有效地仰制尖峰过电压。阻容吸收电路的接法如图1所示。

（a）单相连接 （b）三相Y连接

（c）三相D连接 （d）三相整流式

2.1.2 交流侧浪涌过电压及其保护

当发生雷击或从电网侵入更高的浪涌过电压时，虽有阻容吸收电路保护，过电压仍会突破允许值，因此，在采用阻容吸收电路保护的同时，可以用类似稳压管稳压原理的硒堆或压敏电阻来保护，它们能把浪涌电压抑制在晶闸管装置允许的范围内。

（1）硒堆

硒堆就是成组串联的硒整流片，其接法如图2所示。

（a）单相连接 （b）三相Y连接 （c）三相D连接

图2 硒堆保护的接法

采用硒堆保护能吸收较大的浪涌能量，但硒堆体积大，反向伏安特性不陡，长期放置不用会产生正向电阻增大，反向电阻减小的现象，使其性能变差，因而失去效用。所以使用前需先加50%的额定电压约10分钟，再加额定电压2小时，才能恢复原有性能。所以硒堆不是理想的保护元件。

（2）压敏电阻

压敏电阻正常工作时，呈高阻态，遇到过电压时，它被击穿，可通过高达数千安的放电电流，因而抑制过电压的能力非常强。此外，压敏电阻还具有反应快、体积小、价格低等优点。所以可用它取代硒堆。压敏电阻在保护电路中的接法如图3所示。

（a）单相连接 （b）三相Y连接 （c）三相D连接

2.2 晶闸管关断过电压保护

晶闸管从导通变为阻断时，由于流过的电流相应减小，即便减小到零，其内部还残留载流子，管子还没有恢复阻断能力。这些载流子在反向电压的作用下，将产生较大的反向电流，使内部残存的载流子迅速消失，晶闸管立即关断。此时，

反向电流减小的速度非常快，使线路电感上产生很大的感应电动势，形成关断过电压。这种由于晶闸管关断过程引起的过电压，称关断过电压。其过电压值可达工作电压峰值的5～6倍，可能会导致晶闸管的反向击穿，因此必须采取保护措施。

对于关断过电压，最常用的保护方法是在晶闸管两端并联阻容吸收电路，利用电容两端电压不能突变的特性，来吸收尖峰过电压，把电压限制在晶闸管允许的范围内，如图4所示。串联电阻的作用是：①阻尼LC电路的振荡。②限制晶闸管开通损耗与电流上升率。

2.3 直流侧过电压保护

直流侧是电感性负载时，在某种情况下，会发生浪涌过电压，如图5所示。当整流桥中某两桥臂突然阻断时，因大电感Ld中电流突变，而感生出很高的电动势，并通过负载加在另外处于阻断状态的晶闸管上，因此有可能造成晶闸管硬开通而损坏。直流侧过电压保护可采用与交流侧保护相同的方法，其参数的计算与选择也相同，对于容量较小的装置，可采用阻容吸收电路抑制过电压；对于容量较大的装置，当采用阻容保护影响到系统的快速性时，应选择硒堆或压敏电阻保护，如图5电路中虚线部分所示。

在晶闸管的使用中，如能综合利用上述几种方法对晶闸管进行过电压保护，可大大减少由晶闸管引起的设备故障，使控制系统更加稳定可靠。

参考文献：

[1]黄俊.半导体变流技术[M].北京：机械工业出版社，1993.

[2]冷增祥，徐以荣.电力电子学基础[M].南京：东南大学出版社，1993.

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[4]张君双.浅析电力电子设备中晶闸管的保护[J].辽宁师专学报，2007，9（2）：98-99.

[5]闫科伦.变流装置中晶闸管的保护[J].青海科技.2008，（2）：78-80.

[作者简介]赵国华（1982-），女，本科，讲师，研究方向为电气自动化。