晶闸管模块的保护

●过电压保护                            
　　由于晶闸管的击穿电压接近工作电压；线路中产生的过电压容易造成器件电压击穿；正常工作时凡发生超过晶闸管能承受的最高峰值电压的尖脉冲等统称为过电压。产生过电压的外部原因主要是雷击、电网电压激烈波动或干扰，内部原因主要是电路状态发生变化时积累的电磁能量不能及时消散。过电压极易造成模块损坏，因此必须采取必要的限压保护措施，把晶闸管承受的过电压限制在正反向不重复峰值电压VRSM、VDSM值以内。

常用的保护措施如下：
※晶闸管关断过电压（换流过电压）保护
　　当晶闸管关断、正向电流下降到零时，管芯内部会残留许多载流子，在反向电压的作用下会瞬间出现反向电流，使残存的载流子迅速消失，形成极大的di/dt。即使线路中串联的电感很小，由于反向电势V＝-Ldi/dt，所以也能产生很高的电压尖峰（或毛刺），如果这个尖峰电压超过晶闸管允许的最大峰值电压，就会损坏器件。对于这种尖峰电压一般常用的方法是在器件两端并联阻容吸收回路，利用电容两端电压不能突变的特性吸收尖峰电压。阻容吸收回路要尽可能靠近晶闸管A、K端子，引线要尽可能短，最好采用无感电阻，千万不能借用门极回路的辅助阴极导线（因辅助阴极导线的线径很细，回路中过大的电流会将该线烧断）。阻容元件的参数可按以下的经验值和公式选取：

表一 晶闸管模块阻容吸收元件经验数据

表一中电阻的功率由下式确定：
PR＝fCU2m×10-6；                                                                                                           
式中：   PR－－电阻功率（W）；
f－－频率（50Hz）；
C－－串联电容（uF），其耐压一般为晶闸管耐压的1.3倍；
Um－－晶闸管模块工作峰值电压（V）；
※交流侧过电压及其保护
　　交流侧电路在接通、断开时会产生过电压。对于这类过电压保护，目前主要采用压敏电阻和瞬态电压抑制器（Transient Voltage Supperessor简称TVS）。
　　压敏电阻是一种非线性元件，它是以氧化锌为基体的金属氧化物，有两个电极，极间充填有氧化铋等晶粒。正常电压时晶粒呈高阻，漏电流仅有100uA左右，但过电压时发生的电子雪崩使其呈低阻，电流迅速增大从而吸收了过电压。其接法与阻容吸收电路相同，在交、直流侧完全可以取代阻容吸收，但不能用来作为限制dv/dt的保护，故不宜连接在晶闸管的两端。TVS类器件当其两端受到瞬时高压时，能在极短的时间内（10-12S）从高阻变为低阻，吸收高达数千瓦的浪涌能量。

TVS的部分型号性能参数如表二：

●过电流保护

　当变流装置内部元件损坏、控制或触发系统发生故障、可逆传动环流过大或逆变失败、交流电压过高、过低或缺相、负载过载等，均会引起装置中电力电子器件的电流超过正常工作电流。由于晶闸管的过流能力比一般电气设备低得多，因此，必须对晶闸管采取过电流保护措施。
晶闸管装置中可能采用的几种过电流保护措施如图四，分别是：
※交流进线串接漏抗大的整流变压器（图四A）：
利用电抗限制短路电流，但此种方法在交流电流较大时存在交流压降。
※电检测和过流继电器（图四C）
电流检测是用取样电流与设定值进行比较，当取样电流超过设定值时，比较器输出信号使移相角增大或拉逆变以减少电流。有时须停机。
※直流快速开关（图四G）
对于变流装置功率大且短路可能性较多的场合，可采用动作时间只有2ms的直流快速开关，它能够先于快速熔断器断开而保护了晶闸管，但价格昂贵使用不多。
※快速熔断器（图四B、D、E）
    与普通熔断器比较，快速熔断器是专门用来保护电力半导体功率器件过电流的元件，它具有快速熔断的特性，在流过6倍额定电流时其熔断时间小于工频的一个周期（20ms）。
　　快速熔断器可接在交流侧（B）、直流侧（E）或与晶闸管桥臂串联（D），后者直接效果最好。一般说来快速熔断器额定电流值（有效值IRD）应小于被保护晶闸管的额定方均根通态电流（即有效值）ITRMS即1.57ITAV，同时要大于流过晶闸管的实际通态方均根电流（即有效值）IRMS。
即：　　1.57ITAV≥IRD≥IRMS

●电压及电流上升率的保护
※电压上升率（dv/dt）
    晶闸管阻断时，其阴阳极之间相当于存在一个PN结电容，当突加正向阳极电压时会产生充电电容电流，此电流可
能导致晶闸管误导通。因此，对晶闸管施加的最大正向电压上升率必须加以限制。常用方法是在晶闸管两端并联阻容
吸收元件。
※电流上升率（di/dt）
    晶闸管开通时，电流是从靠近门极区的阴极开始导通然后逐渐扩展到整个阴极区直到全部导通，这个过程需要一定的时间。如果电流上升太快，使电流来不及扩展到整个管芯的有效PN结面，造成门极附近的阴极区局部电流密度过大，发热过于集中，PN结的温度迅速上升形成热点，使其在很短的时间内超过额定结温（Tjm）导致晶闸管工作失效甚至烧毁，所以必须限定晶闸管通态电流上升率（di/dt）。一般是在桥臂中串入电感或铁淦氧磁环。
●温度保护
    电力半导体模块与其它功率器件一样，工作时由于自身功耗而发热。如果不采取适当措施将这种热量散发出去，就会引起模块管芯PN结温度急剧上升。致使器件特性恶化，直至完全损坏。晶闸管的功耗主要由导通损耗、开关损耗、门极损耗三部分组成。在工频或400Hz以下频率的应用中最主要的是导通损耗。
    为了确保器件长期可靠地工作，设计时散热器及其冷却方式的选择与电力半导体模块的电流电压的额定值选择同等重要，千万不可大意！
    散热器的常用散热方式有：自然风冷、强迫风冷、热管冷却、水冷、油冷等。考虑散热问题的总原则是：控制模块中管芯的结温Tj不超过产品数据表给定的额定结温（Tjm）。

   实际上，元件的结温不容易直接测量，因此不能用它作为是否超温的判据。通过控制模块底板的温度（即壳温Tc）来控制结温是一种有效的方法。由于PN结的结温Tj和壳温Tc存在着一定的温度梯度，知道了壳温也就知道了结温，而最高壳温Tc是限定的，由产品数据表给出。借助温控开关可以很容易地测量到与散热器接触处的模块底板温度（温度
传感元件应置于模块底板温度最高的位置）。从温控天关测量到的壳温可以判断模块的工作是否正常。若在线路中增加一个或两个温度控制电路，分别控制风机的开启或主回路的通断（停机），就可以有效地保证晶闸管模块在额定结温下正常工作。
    需要指出的是，温控开关测量到的温度是模块底板表面的温度，易受环境、空气对流的影响，与模块和散热器的接触面上的温度Tc，还有一定的差别（大约低几度到十几度），因此其实际控制温度应低于规定的Tc值。用户可以根据实际情况和经验决定控制的温度。