2.9 电力电子器件的保护

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，还必须采用合适的保护措施。

2.9.1 过电压的产生及过电压的保护

1.过电压的产生原因

电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因，包括：

1）操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器电磁感应耦合，或由变压器绕组之间存在的分布电容静电感应耦合过来。

2）雷击过电压：由雷击引起的过电压。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括：

1）换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，而当恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因电路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。

2）关断过电压：全控型器件在较高频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由电路电感在器件两端感应出的过电压。

2.过电压保护措施

为了防止过电压对电力电子装置造成损坏，必须采取有效的过电压保护措施。过电压保护措施一般采用器件限压和RC阻容吸收等方法。过电压保护的措施及配置位置如图2-28所示。各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的，其典型连接方式如图2-29所示。RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（通常供电网一侧称为网侧，电力电子电路一侧称为阀侧），或电力电子电路的直流侧。当发生瞬时过电压时，利用电容两端电压不能突跳和储能的原理，对过电压加以限制。

图中，F为避雷器；D为变压器静电屏蔽层； C 为静电感应过电压抑制电容；RC ₁ 为阀侧浪涌过电压抑制用RC电路；RC ₂ 为阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路；RV为压敏电阻过电压抑制器；RC ₃ 为阀器件换相过电压抑制用RC电路；RC ₄ 为直流侧RC抑制电路。

2.9.2 过电流的保护

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。图2-30给出了各种过电流保护措施及其配置位置，其中快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性，在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，各种过电流保护选择整定的动作顺序是：电子保护电路首先动作，直流快速断路器整定在电子保护电路动作之后，过电流继电器整定在过载时动作，快速熔断器作为最后的短路保护。

采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时可参考有关的工程手册。

对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。除了对电动机起动的冲击电流等变化较慢的过电流可以利用控制系统本身调节器对电流的限制作用之外，需设置专门的过电流保护电子电路，检测到过电流之后直接调节触发或驱动电路，或者关断被保护器件。

2.9.3 缓冲电路

电力电子器件的缓冲电路也称为吸收电路，它在电力电子器件应用技术中起着主要的保护作用。其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、d u /d t 、过电流和d i /d t ，减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为d u /d t 抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制d u /d t ，减小关断损耗。导通缓冲电路又称为d i /d t 抑制电路，用于抑制器件导通时的电流过冲和d i /d t ，减小器件的导通损耗。可将关断缓冲电路和导通缓冲电路结合在一起，称为复合缓冲电路。还可以用另外的分类方法，即缓冲电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，则被称为耗能式缓冲电路；如果缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或电源，则被称为馈能式缓冲电路，或称为无损吸收电路。

通常讲缓冲电路专指关断缓冲电路，而将开通缓冲电路叫做d i /d t 抑制电路。图2-31给出的是IGBT的缓冲电路和开关过程的电压和电流波形。由图明显看出，在无缓冲电路的情况下，IGBT导通时电流迅速上升，d i /d t 很大，而关断时d u /d t 很大，并出现很高的过电压。在有缓冲电路的情况下，当V导通时，缓冲电容 C _S 首先经过电阻 R _S 和V构成通路进行放电，使电流 i _C 先有一个小的阶跃，然后由于d i /d t 抑制电路的电感 L 的作用， i _C 电流缓慢上升。当V关断时，负载电流由二极管VD _S 、电容 C _S 构成通路， C _S 充电，减轻了V的负担。同时，因为电容具有电压不能突跳的特性，抑制了d u /d t 和过电压。这样既减少了V的开关损耗，又可使其工作安全可靠。

IGBT关断过程的负载曲线如图2-32所示。设关断前的工作点在A点。在无缓冲电路情况下，关断IGBT时， u _CE 迅速上升，在感性负载 L 上的感应电压使续流二极管VD导通，由于电感性负载具有电流不能突跳的特性，所以负载线从A点移到B点，然后 i _C 才逐渐下降到漏电流的大小，负载线随之移动到C点。

在有缓冲电路情况下，由于 C _S 的分流使得 i _C 在 u _CE 开始上升的同时就下降，因此负载线从A点经过D到达C点。可以想象到，在没有缓冲电路时，负载线在到达B点时很可能超出安全区，使V受到损坏。而负载线A-D-C是很安全的，而且负载线A-D-C经过的都是小电流和小电压区域，所以器件关断损耗也比无缓冲电路时大幅度降低。

缓冲电路的主要作用可归纳如下：

1）抑制过渡过程中器件的电压和电流，将开关动作轨迹限定在安全区之内。

2）防止因过大的d i /d t 和d u /d t 造成器件的误触发，甚至导致器件的损坏。

3）抑制开关过渡过程中电压和电流的重叠现象，以减少器件的开关损耗。

4）在多个器件串联的高压电路中起到一定的均压作用。

图2-31所示的缓冲电路被称为充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。图2-33给出了另外两种常用的缓冲电路形式。其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。缓冲电容 C _S 和电阻 R _S 取值可参考有关工程手册。二极管VD _S 必须采用快恢复二极管，其额定电流应大于主器件额定电流的10%。此外，应尽量减小电路电感，且应选用内部电感小的吸收电容。在中小容量场合，若电路电感较小，可只在直流侧总的设一个d u /d t 抑制电路，对于IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容。晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压问题，关断时也没有较大的d u /d t ，因此一般采用RC吸收电路即可。