晶閘管模塊的保護(hù)
●過(guò)電壓保護(hù)
由于晶閘管的擊穿電壓接近工作電壓；線路中產(chǎn)生的過(guò)電壓容易造成器件電壓擊穿；正常工作時(shí)凡發(fā)生超過(guò)晶閘管能承受的最高峰值電壓的尖脈沖等統(tǒng)稱為過(guò)電壓。產(chǎn)生過(guò)電壓的外部原因主要是雷擊、電網(wǎng)電壓激烈波動(dòng)或干擾，內(nèi)部原因主要是電路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)積累的電磁能量不能及時(shí)消散。過(guò)電壓極易造成模塊損壞，因此必須采取必要的限壓保護(hù)措施，把晶閘管承受的過(guò)電壓限制在正反向不重復(fù)峰值電壓VRSM、VDSM值以內(nèi)。
常用的保護(hù)措施如下：
※晶閘管關(guān)斷過(guò)電壓（換流過(guò)電壓）保護(hù)
當(dāng)晶閘管關(guān)斷、正向電流下降到零時(shí)，管芯內(nèi)部會(huì)殘留許多載流子，在反向電壓的作用下會(huì)瞬間出現(xiàn)反向電流，使殘存的載流子迅速消失，形成極大的di/dt。即使線路中串聯(lián)的電感很小，由于反向電勢(shì)V＝-Ldi/dt，所以也能產(chǎn)生很高的電壓尖峰（或毛刺），如果這個(gè)尖峰電壓超過(guò)晶閘管允許的最大峰值電壓，就會(huì)損壞器件。對(duì)于這種尖峰電壓一般常用的方法是在器件兩端并聯(lián)阻容吸收回路，利用電容兩端電壓不能突變的特性吸收尖峰電壓。阻容吸收回路要盡可能靠近晶閘管A、K端子，引線要盡可能短，最好采用無(wú)感電阻，千萬(wàn)不能借用門極回路的輔助陰極導(dǎo)線（因輔助陰極導(dǎo)線的線徑很細(xì)，回路中過(guò)大的電流會(huì)將該線燒斷）。阻容元件的參數(shù)可按以下的經(jīng)驗(yàn)值和公式選?。?/span>
表一 晶閘管模塊阻容吸收元件經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表一中電阻的功率由下式確定：
PR＝fCU2m×10-6；
式中： PR－－電阻功率（W）；
f－－頻率（50Hz）；
C－－串聯(lián)電容（uF），其耐壓一般為晶閘管耐壓的1.3倍；
Um－－晶閘管模塊工作峰值電壓（V）；
※交流側(cè)過(guò)電壓及其保護(hù)
交流側(cè)電路在接通、斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。對(duì)于這類過(guò)電壓保護(hù)，目前主要采用壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器（Transient Voltage Supperessor簡(jiǎn)稱TVS）。
壓敏電阻是一種非線性元件，它是以氧化鋅為基體的金屬氧化物，有兩個(gè)電極，極間充填有氧化鉍等晶粒。正常電壓時(shí)晶粒呈高阻，漏電流僅有100uA左右，但過(guò)電壓時(shí)發(fā)生的電子雪崩使其呈低阻，電流迅速增大從而吸收了過(guò)電壓。其接法與阻容吸收電路相同，在交、直流側(cè)完全可以取代阻容吸收，但不能用來(lái)作為限制dv/dt的保護(hù)，故不宜連接在晶閘管的兩端。TVS類器件當(dāng)其兩端受到瞬時(shí)高壓時(shí)，能在極短的時(shí)間內(nèi)（10-12S）從高阻變?yōu)榈妥?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌能量。
TVS的部分型號(hào)性能參數(shù)如表二：
●過(guò)電流保護(hù)
當(dāng)變流裝置內(nèi)部元件損壞、控制或觸發(fā)系統(tǒng)發(fā)生故障、可逆?zhèn)鲃?dòng)環(huán)流過(guò)大或逆變失敗、交流電壓過(guò)高、過(guò)低或缺相、負(fù)載過(guò)載等，均會(huì)引起裝置中電力電子器件的電流超過(guò)正常工作電流。由于晶閘管的過(guò)流能力比一般電氣設(shè)備低得多，因此，必須對(duì)晶閘管采取過(guò)電流保護(hù)措施。
晶閘管裝置中可能采用的幾種過(guò)電流保護(hù)措施如圖四，分別是：
※交流進(jìn)線串接漏抗大的整流變壓器（圖四A）：
利用電抗限制短路電流，但此種方法在交流電流較大時(shí)存在交流壓降。
※電檢測(cè)和過(guò)流繼電器（圖四C）
電流檢測(cè)是用取樣電流與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)取樣電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，比較器輸出信號(hào)使移相角增大或拉逆變以減少電流。有時(shí)須停機(jī)。
※直流快速開關(guān)（圖四G）
對(duì)于變流裝置功率大且短路可能性較多的場(chǎng)合，可采用動(dòng)作時(shí)間只有2ms的直流快速開關(guān)，它能夠先于快速熔斷器斷開而保護(hù)了晶閘管，但價(jià)格昂貴使用不多。
※快速熔斷器（圖四B、D、E）
與普通熔斷器比較，快速熔斷器是專門用來(lái)保護(hù)電力半導(dǎo)體功率器件過(guò)電流的元件，它具有快速熔斷的特性，在流過(guò)6倍額定電流時(shí)其熔斷時(shí)間小于工頻的一個(gè)周期（20ms）。
快速熔斷器可接在交流側(cè)（B）、直流側(cè)（E）或與晶閘管橋臂串聯(lián)（D），后者直接效果最好。一般說(shuō)來(lái)快速熔斷器額定電流值（有效值IRD）應(yīng)小于被保護(hù)晶閘管的額定方均根通態(tài)電流（即有效值）ITRMS即1.57ITAV，同時(shí)要大于流過(guò)晶閘管的實(shí)際通態(tài)方均根電流（即有效值）IRMS。
即： 1.57ITAV≥IRD≥IRMS
●電壓及電流上升率的保護(hù)
※電壓上升率（dv/dt）
晶閘管阻斷時(shí)，其陰陽(yáng)極之間相當(dāng)于存在一個(gè)PN結(jié)電容，當(dāng)突加正向陽(yáng)極電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生充電電容電流，此電流可
能導(dǎo)致晶閘管誤導(dǎo)通。因此，對(duì)晶閘管施加的最大正向電壓上升率必須加以限制。常用方法是在晶閘管兩端并聯(lián)阻容
吸收元件。
※電流上升率（di/dt）
晶閘管開通時(shí)，電流是從靠近門極區(qū)的陰極開始導(dǎo)通然后逐漸擴(kuò)展到整個(gè)陰極區(qū)直到全部導(dǎo)通，這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間。如果電流上升太快，使電流來(lái)不及擴(kuò)展到整個(gè)管芯的有效PN結(jié)面，造成門極附近的陰極區(qū)局部電流密度過(guò)大，發(fā)熱過(guò)于集中，PN結(jié)的溫度迅速上升形成熱點(diǎn)，使其在很短的時(shí)間內(nèi)超過(guò)額定結(jié)溫（Tjm）導(dǎo)致晶閘管工作失效甚至燒毀，所以必須限定晶閘管通態(tài)電流上升率（di/dt）。一般是在橋臂中串入電感或鐵淦氧磁環(huán)。
●溫度保護(hù)
電力半導(dǎo)體模塊與其它功率器件一樣，工作時(shí)由于自身功耗而發(fā)熱。如果不采取適當(dāng)措施將這種熱量散發(fā)出去，就會(huì)引起模塊管芯PN結(jié)溫度急劇上升。致使器件特性惡化，直至完全損壞。晶閘管的功耗主要由導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、門極損耗三部分組成。在工頻或400Hz以下頻率的應(yīng)用中最主要的是導(dǎo)通損耗。
為了確保器件長(zhǎng)期可靠地工作，設(shè)計(jì)時(shí)散熱器及其冷卻方式的選擇與電力半導(dǎo)體模塊的電流電壓的額定值選擇同等重要，千萬(wàn)不可大意！
散熱器的常用散熱方式有：自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷、熱管冷卻、水冷、油冷等。考慮散熱問(wèn)題的總原則是：控制模塊中管芯的結(jié)溫Tj不超過(guò)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表給定的額定結(jié)溫（Tjm）。
實(shí)際上，元件的結(jié)溫不容易直接測(cè)量，因此不能用它作為是否超溫的判據(jù)。通過(guò)控制模塊底板的溫度（即殼溫Tc）來(lái)控制結(jié)溫是一種有效的方法。由于PN結(jié)的結(jié)溫Tj和殼溫Tc存在著一定的溫度梯度，知道了殼溫也就知道了結(jié)溫，而最高殼溫Tc是限定的，由產(chǎn)品數(shù)據(jù)表給出。借助溫控開關(guān)可以很容易地測(cè)量到與散熱器接觸處的模塊底板溫度（溫度
傳感元件應(yīng)置于模塊底板溫度最高的位置）。從溫控天關(guān)測(cè)量到的殼溫可以判斷模塊的工作是否正常。若在線路中增加一個(gè)或兩個(gè)溫度控制電路，分別控制風(fēng)機(jī)的開啟或主回路的通斷（停機(jī)），就可以有效地保證晶閘管模塊在額定結(jié)溫下正常工作。
需要指出的是，溫控開關(guān)測(cè)量到的溫度是模塊底板表面的溫度，易受環(huán)境、空氣對(duì)流的影響，與模塊和散熱器的接觸面上的溫度Tc，還有一定的差別（大約低幾度到十幾度），因此其實(shí)際控制溫度應(yīng)低于規(guī)定的Tc值。用戶可以根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)決定控制的溫度。
