16电力电子器件的保护

1.6电力电子器件的保护较之电工产品，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。1.6.1过电压的保护1.过电压的产生电源侧过电压电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接，电源变压器的绕组与绕组、绕组与地之间都存在着分布电容，如图1-26所示。变压器一般为降压型，即电源电压u高于变压器次级电压。电源开关断开时，初、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0，当电源合闸时，由于电容两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级，使得变压器次级电压超出正常值，它所连接的电力电子设备将受到过电压的冲击。u1u2S图1-26交流侧过电压在进行电源拉闸断电时也会造成过电压，在通电的状态将电源开关断开将使激磁电流从一定的数值迅速下降到0，由于激磁电感的作用电流的剧烈变化将产生较大的感应电压，因为电压为Ldi/dt，在电感一定的情况下，电流的变化率越大，产生的过电压也越大。这个电压的大小与拉闸瞬间电流的数值有关，在正弦电流的最大值时断开电源，产生的di/dt最大，过电压也就越大。可见，合闸时出现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生机理是完全不同的。在电力电子设备的负载电路一般都为电感性，如果在电流较大时突然切除负载，电路中会出现过电压，熔断器的熔断也会产生过电压。另外电力电子器件的换相也会使电流迅速变化，从而产生过电压。上述过电压大都发生在电路正常工作的状态，一般叫做操作过电压。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn雷电和其它电磁感应源也会在电力电子设备中感应出过电压，这类过电压发生的时间和幅度的大小都是没有规律的，是难以预测的。2.过电压保护措施（1）阻容保护过电压的幅度一般都很大，但是其作用时间一般却都很短暂，即过电压的能量并不是很大的。利用电容两端的电压不能突变这一特点，将电容器并联在保护对象的两端，可以达到过电压保护的目的，这种保护方式叫做阻容保护。起保护作用的电容一般都与电阻串联，这样可以在过电压给电容充电的过程中，让电阻消耗过电压的能量，还可以限制过电压时产生的瞬间电流。并且R的接入还能起到阻尼作用，防止保护电容和电路的电感所形成的寄生振荡。图1-27为电源侧阻容保护原理图。图（a）为单相阻容保护电路，图（b）、（c）为三相阻容保护电路，RC网络接成星型，如图（b）；也可以接成三角形，如图（c）。电容越大，对过电压的吸收作用越明显。在图1-27中，图（a）为单相阻容保护，阻容网络直接跨接在电源端，吸收电源过电压。图1-27（b）为接线形式为星型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压，图1-27（c）为接线形式为三角型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压。显然，三角型接线方式电容的耐压要为星型接线的3倍。但是无论哪种接线，对于同一电路，过电压的能量是一样的，电容的储能也应该相同，所以星型接线的电容容量应为三角形的3倍。也就是说两种接线方式电容容量和耐压的乘积是相同的。电力电子设备电力电子设备电力电子设备（a）（b）（c）图1-27阻容保护（2）整流式阻容保护阻容保护电路的RC直接接于线路之间，平时支路中就有电流流动，电流流过电阻必然要造成能量的损耗并使电阻发热。为克服这些缺点可采用整流式阻容RC保护电路，阻容式PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cnRC保护电路如图1-28所示。三相交流电经二极管整流桥变为脉动直流电，经R1给C充电，电路正常工作无过电压时电容两端保持交流电的峰值电压，而后整流桥仅给电容回路提供微弱的电流，以补充电容放电所损失的电荷。由于与C并联的R2阻值很大，电容的放电非常慢，因此整流桥输出的电流也非常小。一旦出现过电压，过电压的能量被电容吸收，电容的容量足够大，可以保证此时电容电压的数值在允许范围之内，从而也使交流电压不超过规定值。过电压消失后，电容经R2放电使两端电压恢复到交流电正常时的峰值。由此可以看出，R2越大整个电路的功耗越小，但过电压过后电容电压恢复到正常值的时间也越长，因此大小受到两次过电压时间最小间隔的限制。R1R2C三相交流电图1-28整流式阻容保护电路（3）非线性元件保护图1-29压敏电阻的伏安特性常用的非线性保护元件有压敏电阻和硒堆，它们的共同特点是其两端所加电压的绝对值小于一定数值时元件的电流很小，外加电压一旦上升到某一定的数值，就会发生类似于PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn稳压管的击穿现象，元件的电流会迅速增大而元件两端的电压保持基本不变，这一电压叫做击穿电压。压敏电阻的伏安特性如图1-29所示。利用这一特性，将非线性保护元件并联在欲保护的电路的两端，就会将此处的电压限制在元件击穿电压的电压范围之内。1.6.2过电流的保护电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流。过电流有过载和短路两种情况。常用的过电流保护措施如图1-30所示。一台电力电子设备可选用其中的几种保护措施。针对某种电力电子器件，可能有些保护措施是有效的而另一些是无效的或不合适的，在选用时应特别注意。电力电子装置过流继电器驱动电路电流检测电路负载电流互感器熔断器撬杠保护断路器图1-30过电流保护交流断路器保护是通过电流互感器获取交流回路的电流值，然后来控制交流电流继电器，当交流电流超过整定值时，过流继电器动作使得与交流电源连接的交流断路器断开，切除故障电流。应当注意过流继电器的整定值一般要小于电力电子器件所允许的最大电流瞬时值，否则如果电流达到了器件的最大电流过流继电器才动作，由于器件耐受过电流的时间极短，在继电器和断路器动作期间电力电子器件可能就已经损坏。来自电流互感器的信号还可作用于驱动电路，当电流超过整定值时，将所有驱动信号的输出封锁，全控型器件会由于得不到驱动信号而立即阻断，过电流随之消失；半控型器件晶闸管在封锁住触发脉冲后，未导通的晶闸管不再导通，而已导通的晶闸管由于电感的储能器件不会立即关断，但经一定的时间后，电流衰减到0，器件关断。这种保护方式由电子电路来实现，又叫做电子保护。与断路器保护类似，电子保护的电流整定值也一般应该小于器件所能承受的电流最大值。快速熔断器保护一般作为最后一级保护措施，与其它保护措施配合使用。根据电路的不同要求，快速熔断器可以接在交流电源侧（三相电源的每一相串接一个快速熔断器），也PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn可以接在负载侧，还可电路中每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联。接法不同，保护效果也有差异。熔断器保护有可以对过载和短路过电流进行“全保护”和仅对短路电流起作用的短路保护两种类型。撬杠保护多应用于大型的电力电子设备，电路中电流检测、电子保护都是必需的，同时还要在交流电源侧加一个大容量的晶闸管。其保护原理如下：当检测到的电流信号超过整定值时，触发保护用的晶闸管，用以旁路短路电流，晶闸管支路中可接一个小电感用以限制di/dt；驱动电路开通主电路中的所有电力电子器件，以分散短路能量，让所有器件分担短路电流；使交流断路器断开，切断短路能量的来源。经一段时间的衰减短路能量消失，起到保护作用。1.6.3MOSFET的栅极保护MOSFET的栅极有一层氧化物绝缘层，所以其栅-源之间有很高的输入电阻。而这一绝缘层又是很脆弱的，只能承受几十伏的电压。由于绝缘性能好，栅极所聚集的静电没有释放的途径，可能产生较高的电压使绝缘层击穿而损坏器件。所以必须对MOSFET的栅-源之间采取专门的保护措施。其方法是，（1）栅极驱动电路的输出电压不得超过±20V；（2）在栅极和源极之间并联一定数量的电阻，为聚集的静电荷提供释放通路；（3）在栅极和源极之间并联稳压二极管支路，该支路由两个反向串联的稳压二极管组成，其稳压值分别限制栅-源之间的正向和反向电压；（4）在储存和运输时将MOSFET置于金属或其它导电材料制成的容器中或将器件的引脚短路，防止静电的产生和积累。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建www.fineprint.cn