- GTO的過(guò)電流特性
- 逆變器的過(guò)電流保護(hù)
- 門(mén)極電路的過(guò)流保護(hù)
- 熔斷器保護(hù)法
- 撬杠保護(hù)法
- 自關(guān)斷保護(hù)法
GTO主要應(yīng)用于大容量的斬波器、逆變器及開(kāi)關(guān)電路中，其中最引人關(guān)注的問(wèn)題是由于各種原因造成的短路過(guò)電流現(xiàn)象;因此它嚴(yán)重地威脅著器件乃至整機(jī)設(shè)備的安全。為此，必須研究過(guò)電流產(chǎn)生的原因及如何在電流情況下采取措施保護(hù)GTO，使其免遭損壞。
1、過(guò)電流的產(chǎn)生
過(guò)電流包括過(guò)載和短路兩種情況。因負(fù)載過(guò)大而產(chǎn)生過(guò)載電流一般可用負(fù)反饋控制法進(jìn)行保護(hù)，此處不再進(jìn)行討論。這里主要討論短路過(guò)電流情況。短路過(guò)電流的出現(xiàn)大致有下述3種原因。
(1)逆變器的橋臂短路在GTO組成的逆變器中，若同一橋臂上的兩個(gè)GTO同時(shí)導(dǎo)通，則會(huì)產(chǎn)生橋臂短路現(xiàn)象，亦稱(chēng)橋臂直通故障。此時(shí)短路電流的上升率和浪涌沖擊電流都將很大，導(dǎo)致GTO燒毀。造成橋臂短路的原因一般有兩種，一是邏輯設(shè)計(jì)不合理，兩個(gè)GTO的關(guān)斷和導(dǎo)通之間沒(méi)有足夠的時(shí)間間隔(即死區(qū))，在一只GTO尚未完全關(guān)斷時(shí)，另一只GTO已經(jīng)導(dǎo)通，造成兩個(gè)GTO同時(shí)導(dǎo)通;二是由于種種原因造成的誤觸發(fā)，當(dāng)橋臂中的一只GTO導(dǎo)通時(shí)，另一只GTO由于誤觸發(fā)也會(huì)造成橋臂短路。誤觸發(fā)的原因一般來(lái)自門(mén)極電路，例如各種毛刺信號(hào)的出現(xiàn)，外界電磁干擾，或由于緩沖電路設(shè)計(jì)不當(dāng)出現(xiàn)過(guò)高的du/dt等。
(2)輸出端的線間短路若輸出端發(fā)生線間短路，則短路電流流經(jīng)相應(yīng)支路的GTO，其短路電流相當(dāng)大。若逆變器的負(fù)載是電動(dòng)機(jī)，則電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電流沖擊也很大，盡管此時(shí)不是短路電流，但電流上升率也會(huì)相當(dāng)大，造成GTO損壞。
(3)輸出端線對(duì)地短路逆變器交流輸出端若有一相接地，短路電流經(jīng)GTO反并聯(lián)二極管、濾波電容、整流二極管和交流側(cè)熔斷器流通，短路電流的大小與濾波電容上電壓的高低有關(guān)。最嚴(yán)重的情況是，當(dāng)濾波電容電壓放電到低于母線與中性點(diǎn)間電壓的峰值時(shí)，將有大的故障電流流通。適當(dāng)選取反并聯(lián)二極管和熔斷器的容量可做到合理的保護(hù)。
2、GTO的過(guò)電流特性
GTO的過(guò)電流特性與GTR不同。當(dāng)門(mén)極處于正向偏置時(shí)，GTO開(kāi)通，只有電流有效值、浪涌電流和I2t值的限制，沒(méi)有安全工作區(qū)的規(guī)定。門(mén)極處于反向偏置時(shí)，GTO處于關(guān)斷過(guò)程，此時(shí)有最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流的限制，并有反向偏置安全工作區(qū)RB-SOA，可見(jiàn)GTO的過(guò)電流保護(hù)要比GTR復(fù)雜一些。
過(guò)電流保護(hù)可從兩方面考慮：一是熱保護(hù)，GTO不能因?yàn)檫^(guò)載超過(guò)所規(guī)定的結(jié)溫;二是電保護(hù)，發(fā)生過(guò)電流時(shí)，希望過(guò)電流在未超過(guò)所允許的最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流時(shí)迅速撤除門(mén)極關(guān)斷信號(hào)，利用浪涌能力進(jìn)行保護(hù)，或在未超過(guò)最大陽(yáng)極可關(guān)斷電流范圍內(nèi)使GTO迅速關(guān)斷。
針對(duì)上述問(wèn)題，可采取各種措施對(duì)GTO進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。
3、逆變器的過(guò)電流保護(hù)
逆變器的過(guò)電流保護(hù)是指GTO整機(jī)設(shè)備的最終保護(hù)措施，它可防止事故的繼續(xù)擴(kuò)展。具體保護(hù)方法有以下3種。
1)熔斷器保護(hù)法
由于GTO具有浪涌能力，所以在一定條件下可用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)。用熔斷器保護(hù)GTO逆變器的過(guò)程是：檢測(cè)過(guò)電流→電抗器限流→切除GTO關(guān)斷信號(hào)→熔斷器斷流。
GTO逆變器內(nèi)部電感很小，通常只有幾個(gè)微亨，一旦短路，電流上升很快，峰值很大，故應(yīng)采用電抗器限流，并盡快切除關(guān)斷信號(hào)，然后在浪涌能力范圍內(nèi)由熔斷器切斷故障電流。顯然，對(duì)這種過(guò)電流難以用普通電力熔斷器或交直流電磁開(kāi)關(guān)進(jìn)行保護(hù)，必須用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)。
快速熔斷器的斷流時(shí)間在10ms以?xún)?nèi)，切斷時(shí)發(fā)生的電弧電壓很小。用快速熔斷器保護(hù)GTO時(shí)，必須注意以下兩點(diǎn)。
(1)必須設(shè)置過(guò)電流檢測(cè)電路。當(dāng)GTO接近關(guān)斷能力極限時(shí)，切斷GTO的關(guān)斷信號(hào)，即GTO過(guò)電流超過(guò)可關(guān)斷陽(yáng)極電流的極限值時(shí)，絕對(duì)不能再用門(mén)極信號(hào)去關(guān)斷。GTO具有與SCR一樣的浪涌能力，利用這一特性可用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)。
(2)GTO和快速熔斷器的I2t值必須合理匹配。選擇快速熔斷器時(shí)應(yīng)使GTO允許的I2t大于快速熔斷器的I2t值。
大容量GTO逆變器的短路過(guò)電流保護(hù)不能采用GTO自關(guān)斷的方法。因?yàn)榇蠊β蔊TO的非重復(fù)可關(guān)斷電流比中、小功率的GTO要小，在短路過(guò)電流時(shí)不能采用門(mén)極脈沖強(qiáng)迫關(guān)斷GTO的辦法，與之相反，應(yīng)發(fā)出所有GTO的開(kāi)通信號(hào)使逆變器全導(dǎo)通，并用熔斷器對(duì)GTO進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。
2)撬杠保護(hù)法
撬杠保護(hù)法也稱(chēng)做非熔斷器保護(hù)法，在中大容量GTO電路中應(yīng)用很普遍，其工作原理如圖1所示。由圖1可看出，當(dāng)逆變器由于誤觸發(fā)等原因發(fā)生短路故障時(shí)，濾波電容的放電電流急劇增大，通過(guò)傳感器檢測(cè)出電容放電電流的信號(hào)，然后產(chǎn)生如下動(dòng)作。
(1)觸發(fā)并聯(lián)晶閘管T，使GTO逆變器分流，T串聯(lián)一小電感L3，以便限制T的di/dt。
(2)封鎖GTO的關(guān)斷信號(hào)并觸發(fā)所有GTO，使短路電流由所有GTO承擔(dān)，減小電流集中現(xiàn)象。
(3)交流側(cè)斷路器跳閘。圖1中的L1、L2為限制短路電流上升速度的電感，Ld為直流濾波電抗器。
在大容量GTO的應(yīng)用中，也可采用熔斷器和撬杠兩者結(jié)合的方法。其保護(hù)過(guò)程是：短路過(guò)電流→電抗器限流→撬杠分流→熔斷器斷流。
這種保護(hù)方法利用了撬杠電路中T浪涌能力強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)GTO逆變器進(jìn)行短路過(guò)電流保護(hù)的效果比較好，因而得到一定的應(yīng)用。
3)自關(guān)斷保護(hù)法
GTO本身具有的自關(guān)斷能力也可用作過(guò)流保護(hù)。GTO的陽(yáng)極可關(guān)斷能力包括可關(guān)斷通態(tài)重復(fù)峰值電流和可關(guān)斷通態(tài)不重復(fù)峰值電流兩個(gè)參數(shù)。一般200A以下的小容量GTO可關(guān)斷通態(tài)不重復(fù)峰值電流比可關(guān)斷通態(tài)重復(fù)峰值電流大得多，利用這一特性可作過(guò)流保護(hù)，這種方法稱(chēng)做自關(guān)斷保護(hù)法。
4、門(mén)極電路的過(guò)流保護(hù)
當(dāng)GTO損壞之后，陽(yáng)極與門(mén)極間往往處于短路狀態(tài)，外加的高電壓通過(guò)陽(yáng)極引入門(mén)極電路，引起門(mén)極電路的損壞，為此應(yīng)設(shè)置門(mén)極電路的保護(hù)環(huán)節(jié)。具體措施如下：
(1)在門(mén)極電路的輸出端接一快速熔斷器實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，以便使門(mén)極電路盡快與GTO門(mén)極端子斷開(kāi);
(2)在門(mén)極電路的輸出端同時(shí)接一齊納二極管，以使門(mén)極電路箝位在安全電壓范圍之內(nèi)。
