1.6電力電子器件的保護

1.6電力電子器件的保護較之電工產品，電力電子器件承受過電壓、過電流的能力要弱得多，極短時間的過電壓和過電流就會導致器件永久性的損壞。因此電力電子電路中過電壓和過電流的保護裝置是必不可少的，有時還要采取多重的保護措施。1.6.1過電壓的保護1.過電壓的產生首先討論電源側過電壓。電力電子設備一般都經變壓器與交流電網(wǎng)連接，電源變壓器的繞組與繞組、繞組與地之間都存在著分布電容，。變壓器一般為降壓型，即電源電壓u1高于變壓器次級電壓u2。電源開關斷開時，初、次級繞組均無電壓，繞組間分布電容電壓也為0，當電源合閘時，由于電容兩端電壓不能突變，電源電壓通過電容加在變壓器次級，使得變壓器次級電壓超出正常值，它所連接的電力電子設備將受到過電壓的沖擊。如圖1-26所示圖1-26交流側過電壓在進行電源拉閘斷電時也會造成過電壓，在通電的狀態(tài)將電源開關斷開將使激磁電流從一定的數(shù)值迅速下降到0，由于激磁電感的作用電流的劇烈變化將產生較大的感應電壓，因為電壓為Ldi/dt，在電感一定的情況下，電流的變化率越大，產生的過電壓也越大。這個電壓的大小與拉閘瞬間電流的數(shù)值有關，在正弦電流的最大值時斷開電源，產生的di/dt最大，過電壓也就越大。可見，合閘時出現(xiàn)的過電壓和拉閘時出現(xiàn)的過電壓其產生機理是完全不同的。變壓器的負載側也會出現(xiàn)過電壓。電力電子設備的負載電路一般都為電感性，如果在電流較大時突然切除負載，電路中會出現(xiàn)過電壓，熔斷器的熔斷也會產生過電壓。另外電力電子器件的換相也會使電流迅速變化，從而產生過電壓。上述過電壓大都發(fā)生在電路正常工作的狀態(tài)，一般叫做操作過電壓。除此之外，雷電和其它電磁感應源也會在電力電子設備中感應出過電壓，這類過電壓發(fā)生的時間和幅度的大小都是沒有規(guī)律的，是難以預測的。2.過電壓保護措施（1）阻容保護過電壓的幅度一般都很大，但是其作用時間一般都很短暫，即過電壓的能量并不是很大的。利用電容兩端的電壓不能突變這一特點，將電容器并聯(lián)在保護對象的兩端，可以達到過電壓保護的目的，這種保護方式叫做阻容保護。起保護作用的電容一般都與電阻串聯(lián)，這樣可以在過電壓給電容充放電的過程中，讓電阻消耗過電壓的能量，還可以限制過電壓時產生的瞬間電流。并且電阻的接入還能起到阻尼作用，防止保護電容和電路中的電感所形成的寄生振蕩。圖1-27為電源側阻容保護原理圖。圖（a）為單相阻容保護電路，圖（b）、（c）為三相阻容保護電路，RC網(wǎng)絡可接成星型，如圖（b）；也可以接成三角形，如圖（c）。電容容量越大，對過電壓的吸收作用越明顯。在圖1-27中，圖（a）為單相阻容保護，阻容網(wǎng)絡直接跨接在電源端，吸收電源過電壓。圖1-27（b）為接線形式為星型的三相阻容保護電路，平時電容承受電源相電壓，圖1-27（c）為接線形式為三角型的三相阻容保護電路，平時電容承受電源線電壓。顯然，三角型接線方式電容的耐壓要為星型接線的倍。但是無論哪種接線，對于同一電路，過電壓的能量是一樣的，電容的儲能也應該相同，所以星型接線的電容容量應為三角形的倍。也就是說兩種接線方式電容容量和耐壓的乘積是相同的。圖1-27阻容保護（2）整流式阻容保護阻容保護電路的RC直接接于線路之間，平時各支路中就有電流流動，電流流過電阻必然要造成能量的損耗并使電阻發(fā)熱。為克服這些缺點可采用整流式阻容RC保護電路，阻容式RC保護電路如圖1-28所示。三相交流電經二極管整流橋整流變?yōu)槊}動直流電，經R1給C充電，電路正常工作無過電壓時電容兩端保持交流電的峰值電壓，而后整流橋僅給電容回路提供微弱的電流，以補充電容放電所損失的電荷。由于與C并聯(lián)的R2阻值很大，電容的放電非常慢，因此整流橋輸出的電流也非常小。一旦出現(xiàn)過電壓，整流橋的輸出電壓增大，過電壓的能量被電容吸收，電容的容量足夠大，可以保證此時電容電壓的數(shù)值在允許范圍之內，從而也使交流電壓不超過規(guī)定值。過電壓消失后，電容經R2放電使兩端電壓恢復到交流電正常時的數(shù)值。由此可以看出，R2越大整個電路的功耗越小，但過電壓過后電容電壓恢復到正常值的時間也越長，因此大小受到兩次過電壓時間最小間隔的限制。圖1-28整流式阻容保護電路（3）非線性元件保護常用的非線性保護元件有壓敏電阻和硒堆，它們的共同特點是其兩端所加電壓的絕對值小于一定數(shù)值時元件的電流很小，外加電壓一旦上升到某一定的數(shù)值，就會發(fā)生類似于穩(wěn)壓管的擊穿現(xiàn)象，元件的電流會迅速增大而元件兩端的電壓保持基本不變，這一電壓叫做擊穿電壓。壓敏電阻的伏安特性如圖1-29所示。利用這一特性，將非線性保護元件并聯(lián)在欲保護的電路的兩端，就會將此處的電壓限制在元件擊穿電壓的電壓范圍之內。圖1-29壓敏電阻的伏安特性1.6.2過電流的保護電力電子電路中的電流瞬時值超過設計的最大允許值，即為過電流。過電流有過載和短路兩種情況。常用的過電流保護措施如圖1-30所示。一臺電力電子設備可選用其中的幾種保護措施。針對某種電力電子器件，可能有些保護措施是有效的而另一些是無效的或不合適的，在選用時應特別注意。圖1-30過電流保護交流斷路器保護是通過電流互感器獲取交流回路的電流值，然后來控制交流電流繼電器，當交流電流超過整定值時，過流繼電器動作使得與交流電源連接的交流斷路器斷開，切除故障電流。應當注意過流繼電器的整定值一般要小于電力電子器件所允許的最大電流瞬時值，否則如果電流達到了器件的最大電流過流繼電器才動作，由于器件耐受過電流的時間極短，在繼電器和斷路器動作期間電力電子器件可能就已經損壞。來自電流互感器的信號還可作用于驅動電路，當電流超過整定值時，將所有驅動信號的輸出封鎖，全控型器件會由于得不到驅動信號而立即阻斷，過電流隨之消失；半控型器件晶閘管在封鎖住觸發(fā)脈沖后，未導通的晶閘管不再導通，而已導通的晶閘管由于電感的儲能作用不會立即關斷，但經一定的時間后，電流衰減到0，器件關斷。這種保護方式由電子電路來實現(xiàn)，又叫做電子保護。與斷路器保護類似，電子保護的電流整定值也一般應該小于器件所能承受的電流最大值。快速熔斷器保護一般作為最后一級保護措施，與其它保護措施配合使用。根據(jù)電路的不同要求，快速熔斷器可以接在交流電源側（三相電源的每一相串接一個快速熔斷器），也可以接在負載側，還可電路中每一個電力電子器件都與一個快速熔斷器串聯(lián)。接法不同，保護效果也有差異。熔斷器保護有可以對過載和短路過電流進行“全保護”和僅對短路電流起作用的短路保護兩種類型。撬杠保護多應用于大型的電力電子設備，電路中電流檢測、電子保護都是必需的，同時還要在交流電源側加一個大容量的晶閘管。當檢測到的電流信號超過整定值時做以下操作：觸發(fā)保護用的晶閘管，用以旁路短路電流，晶閘管支路中可接一個小電感用以限制di/dt；驅動電路開通主電路中的所有電力電子器件，以分散短路能量，讓所有器件分擔短路電流；同時使交流斷路器斷開，切斷短路能量的來源。經一段時間的衰減短路能量消失，起到保護作用。1.6.3MOSFET的柵極保護MOSFET的柵極有一層氧化物絕緣層，所以其柵-源之間有很高的輸入電阻。而這一絕緣層又是很脆弱的，只能承受幾十伏的電壓。由于絕緣性能好，柵極所聚集的靜電沒有釋放的途徑，長期積累可能產生較高的電壓使絕緣層擊穿而損壞器件。所以必須對MOSFET的柵-源之間采取專門的保護措施。其方法是，（1）柵極驅動電路的輸出電壓不得