1.6 SCR的保护
SCR保护
在本教程中，我们将学习一些常用的SCR保护技术，以应对过电压、过电流、di/dt、dv/dt等问题。
引言
为了实现令人满意的可靠运行，SCR的额定值不应因过载、电压瞬变和其他异常情况而被超过。如果超过额定值，SCR可能会永久损坏。在SCR关断过程中，由于反向恢复过程，SCR中会发生电压过冲。
此外，在导通过程中，开关动作在存在电感的情况下会产生过电压。在发生短路的情况下，通过SCR的电流远大于额定电流。因此，为了避免这些异常条件对SCR造成的不良影响，必须为SCR提供合适的保护电路。
一些用于SCR的保护技术包括过电压保护、过电流保护、dv/dt保护和di/dt保护。此外，为了在允许的温度范围内运行SCR，必须散发结点产生的热量。这可以通过使用散热器来实现。让我们简要讨论这些保护方法。
过电压
过电压是导致SCR故障的主要原因。这些瞬态过电压通常会导致SCR的非计划导通。此 外，如果反向瞬态电压超过SCR两端的，可能会导致SCR的永久损坏。
过电压的出现有多种原因，如换流、斩波、闪电等。根据这些来源，过电压分为内部过电压和外部过电压。
内部过电压
内部过电压在SCR运行期间产生。在SCR关断时，阳极电流降至零后，反向电流继续通过SCR以清除先前存储的电荷。在反向恢复间隔结束时，反向电流以更快的速率衰减。
由于电路的电感，这种高di/dt会产生高电压。这个电压值可能远高于SCR的额定值，因此SCR可能会损坏。
外部过电压
这些电压来自电源或负载。其中一些情况包括：
- 如果SCR在由变压器供电的整流电路中处于阻断模式，变压器初级侧会流过一个小的励磁电流。如果突然断开初级侧开关，在变压器次级侧会产生高电压瞬变，从而施加在SCR上。这个电压是SCR转折电压的数倍。
- 连接到SCR整流器的高压直流（HVDC）系统中的闪电浪涌会导致过电压的幅度非常高。
- 如果SCR整流电路连接到高感性负载，电流的突然中断会在SCR上产生高电压。
- 如果在直流侧提供开关，这些开关的突然操作会产生电弧电压。这也会在SCR上引起过电压。
过电压保护
为了保护SCR免受瞬态过电压的影响，为整流电路中的每个SCR提供一个并联的R-C缓冲网络。这个缓冲网络可以保护SCR免受在反向恢复过程中产生的内部过电压。在SCR关断或换流后，反向恢复电流被引导到由储能元件组成的缓冲电路。
输入侧的闪电和开关浪涌可能会损坏整流器或变压器。通过在SCR两端使用电压钳位器件，可以将这些电压的影响降至最低。因此，最常用的电压钳位器件包括金属氧化物压敏电阻、硒晶闸管二极管和雪崩二极管抑制器。
这些器件具有随着电压增加而下降的电阻特性。因此，当器件两端出现浪涌电压时，这些器件为SCR提供低电阻路径。下图展示了使用晶闸管二极管和缓冲网络对SCR进行过电压保护。
过电流
在短路条件下，过电流会通过SCR流动。这些短路可能是内部的或外部的。内部短路是由以下原因引起的：SCR无法阻断正向或反向电压、触发脉冲错位、由于连接电缆或负载故障导致的整流器输出端短路等。外部短路是由持续过载和负载中的短路引起的。
在发生短路时，故障电流取决于电源阻抗。如果在短路期间电源阻抗足够大，则故障电流将被限制在SCR的多周期浪涌额定值以下。在交流电路中，如果忽略电源电阻，则故障发生在峰值电压瞬间。
在直流电路中，故障电流由电源电阻限制。因此，如果电源阻抗非常低，则故障电流会非常大。这种电流的快速上升会增加结点温度，因此SCR可能会损坏。因此，必须在故障电流的第一个峰值出现之前清除故障，换句话说，必须在电流过零位置之前中断故障电流。
过电流保护
可以使用传统的过电流保护装置（如普通熔断器（HRC熔断器、可重熔熔断器、半导体熔断器等）、接触器、继电器和断路器）来保护SCR免受过电流的影响。通常，由于其较长的跳闸时间，使用断路器来保护SCR免受持续过载和长时间浪涌电流的影响。
为了有效跳闸断路器，跳闸时间必须与SCR额定值适当协调。此外，通过将快速熔断器与SCR串联，可以限制大浪涌电流（也称为亚周期浪涌电流）。
因此，必须选择适当的熔断时间与亚周期额定值的协调 ，以实现对过电流的可靠保护。因此，熔断器和断路器与SCR额定值的适当协调是必不可少的。
选择用于保护SCR的熔断器必须满足以下条件：
- 熔断器必须能够持续承载满载电流，并在短时间内承受一定的过载电流。
- 熔断器的额定值必须小于SCR的额定值。
- 在电弧期间，熔断器电压必须足够高，以迫使电流值下降。
- 在中断电流后，熔断器必须能够承受任何限制电压。
SCR的di/dt保护
当SCR通过门极信号导通时，阳极电流开始通过SCR流动。这种阳极电流需要一定的时间才能在SCR的结点间扩散。为了使SCR正常工作，电流必须在结点表面均匀分布。
如果阳极电流的上升率（di/dt）过高，会导致电流在结点上的分布不均匀。由于电流密度高，这可能会在门极-阴极结附近形成局部热点。这种效应可能会因过热而损坏SCR。因此，在SCR导通过程中，必须将di/dt保持在规定的范围内。
为了防止电流变化率过高，在晶闸管串联一个电感。典型的SCR di/dt额定值范围在每微秒20到500安培之间。
SCR的dv/dt保护
当SCR正向偏置时，结J1和J3正向偏置，而结J2反向偏置。这个反向偏置的结J2表现出电容的特性。因此，如果在SCR两端施加的正向电压变化率非常高，通过结J2的充电电流足以在没有任何门极信号的情况下导通SCR。
这被称为SCR的dv/dt触发，通常不采用，因为它是一种误触发过程。因此，阳极到阴极电压的上升率dv/dt必须在规定的范围内，以防止SCR误触发。这可以通过在SCR两端使用RC缓冲网络来实现。
缓冲电路的工作原理
如上所述，通过使用RC缓冲电路来实现对高电压反向恢复瞬变和dv/dt的保护。这个缓冲电路由一个电容和电阻的串联组合组成，连接在SCR两端。它还包含一个与SCR串联的电感，以防止高di/dt。电阻值通常为几百欧姆。用于SCR保护的缓冲网络如下所示。
当开关闭合时，SCR两端突然出现电压，该电压被旁路到RC网络。这是因为电容表现为短路，将SCR两端的电压降低到零。随着时间的增加，电容两端的电压以较慢的速率上升，使得电容两端的dv/dt足够小，不足以导通SCR。因此，SCR和电容两端的dv/dt小于SCR的最大dv/dt额定值。
通常，电容被充电到等于最大电源电压的电压，即SCR的正向阻断电压。如果SCR导通，电容开始放电，这会导致通过SCR的电流很大。
这会产生高di/dt，可能会损坏SCR。因此，为了限制高di/dt和峰值放电电流，如上图所示，在电容串联一个小电阻。这些缓冲电路也可以连接到任何开关电路，以限制高浪涌或瞬态电压。