电力电子技术笔记（7）—

过电压的产生及过电压保护

1、引起过电压的原因

2、过电压保护措施

3、RC参数的计算

4、采用压敏电阻的过压保护

过电流保护

1、过流保护电子电路

2、交流侧过流继电器保护

3、直流快速断路器保护

4、快速熔断器

缓冲电路

分类

1、BJT的开关波形与缓冲电路

2、耗能式缓冲电路

3、馈能式缓冲电路

过电压的产生及过电压保护

正向过电压将产生误导通。反向过电压则晶闸管被击穿，造成永久性损坏。

1、引起过电压的原因

电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压

外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因

操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起
雷击过电压（浪涌过电压）：由雷击引起

内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程

换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。
关断过电压：全控型器件高频工作关断时，因正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

2、过电压保护措施

过电压保护的基本原则是，消耗过电压储存的电磁能量。

T——变压器

F——避雷器，D——变压器静电屏蔽器，C——静电感应过电压抑制电容（接地电容）， $RC_{1}$ ——阀侧浪涌过电压抑制用RC电路（阻容吸收）， $RC_{2}$ ——阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路，RV——压敏电阻（电压较高时，阻抗较小；电压较低时，阻抗较大）过电压抑制器， $RC_{3}$ ——阀器件换相过电压抑制用RC电路（元件阻容吸收）， $RC_{4}$ ——直流侧RC抑制电路，RCD——阀器件关断过电压抑制用RCD电路

电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。

其中 $RC_{3}$ 和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。

雷击过电压可在变压器初级加接避雷器（F）加以保护。

变比大的变压器，存在分布电容，加屏蔽层（D）接地。

阻容保护电路抑制电路中的过电压，电阻能消耗部分的过电压能量，电容抑制过电压的产生。RC在变流器装置的交流侧、直流侧、并在元件上。RC有效地抑制元件关断时的关断过电压。

3、RC参数的计算

阻容保护电路的接法：a）单相过电压抑制；b）三相星型过电压抑制；c）三相三角型过电压抑制；
d）三相反向阻断式过电压抑制；e）直流侧过电压抑制

在单相变压器次级绕组边并联阻容保护电路，其R、C的计算公式为：

$C\geq 6\times i_{0}%\times \frac{S}{U_{2}^{2}}\left ( \mu F \right )$ ， $R\geq 2.3\times \frac{U_{2}^{2}}{S}\times \sqrt{\frac{u_{k}%}{i_{0}%}}\left ( \Omega \right )$

S为变压器每相容量； $U_{2}$ 为变压器二次侧相电压有效值； $i_{0}%$ 为变压器励磁电流百分值， $u_{k}%$ 为变压器的短路电压百分值。其它参数的计算可以参阅相关手册或教材。

4、采用压敏电阻的过压保护

对于雷击或更高的浪涌电压，采用压敏电阻等非线性电阻进行保护。

压敏电阻正、反两个方向相同、比较陡的伏安特性：

作用：把浪涌电压限制在器件允许的电压范围。

由于压敏电阻的正、反向特性对称，因此单相电路只需一个，三相电路联结成Y形或 $\Delta$ 形。

压敏电阻选用方法：

额定电压： $U_{1mA}\geq \frac{\varepsilon }{\left ( 0.8\sim 0.9 \right )}\times$ (压敏电阻承受工作电压的峰值)，式中 $\varepsilon$ 为电网电压升高系数，一般取1.1~1.2。系数（0.8~0.9）为性能退化系数。
估算 $U_{Y}$ 值， $U_{Y}$ 为放电电流达规定值时的电压值，由被保护元件的耐压值决定。

当变压器容量大、距外线路近、无避雷器时通流容量应尽可能取大值。

压敏电阻只能作过压保护，不能作du/dt保护。

过电流保护

过电流——过载和短路两种情况

保护措施

同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。

1、过流保护电子电路

电子电路作为第一保护措施，反应最快。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。

2、交流侧过流继电器保护

过电流继电器整定在过载时动作，通过电流检测装置，过流时，控制过电流继电器，使交流断路器触点跳开，切断电源。

3、直流快速断路器保护

$Q_{CDF}$ 是动作时间只有2ms的直流快速开关，它可先于快速熔断器动作而保护器件。直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护。

4、快速熔断器

快速熔断器FUF是防止器件过流损坏的最后一道防线，是晶闸管变流装置中应用最普遍的过电流保护措施。

快速熔断器FUF可用于交流侧、直流侧和装置主电路中，具体接法如下图所示：

与器件串联的快速熔断器的选用原则是：

快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。
快速熔断器的熔体额定电流 $I_{KR}$ ： $1.57I_{T(AV)}\geq I_{KR}\geq I_{T}$ 。
熔断器（安装熔体的外壳）的额定电流应大于或等于熔体电流值。

快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种

全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。
短路保护：快熔仅作为短路时的部分区段的保护，只在短路电流较大的区域起保护作用。

常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快。

缓冲电路

缓冲电路（Snubber Circuit）：又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗，避免器件二次击穿和抑制电磁干扰，提高电路的可靠性。

1、BJT的开关波形与缓冲电路

从BJT的开关波形可以看出，出现集电极电压 $u_{c}$ 和集电极电流 $i_{c}$ 同时达到最大值，瞬时开关损耗最大。

从BJT的负载轨迹线看，开通和关断时很可能超过了安全工作区，应采用开通和关断缓冲电路。

解决方法：开通时di/dt不要太大，可以利用电感的电流不能突变的特性，在电路中串接电感，令负载轨迹从A到C；关断时du/dt不要太大，可以利用电容两端电压不能突变的特性，在开关装置两端并联电容，令负载轨迹从C到A。

BJT缓冲电路的工作原理：

BJT（GTR）以一定的开关频率工作。当BJT导通时，负载电流 $i_{d}$ 通过BJT；当BJT截止时，负载电流 $i_{d}$ 通过二极管 $VD_{L}$ ；当电感极大时，电流 $i_{d}$ 基本不变；当BJT导通时，BJT电流 $i_{c}$ 很快上升到负载电流 $i_{d}$ 。在BJT关断、集电极电压上升过程，一直有负载电流 $i_{d}$ 通过。

2、耗能式缓冲电路

关断缓冲电路

原理分析：由电阻、电容和二极管网络组成并与BJT开关并联连接。BJT关断时，负载电流经 $VD_{U}$ 和 $C_{U}$ ， $du_{c}/dt$ 受到限制，电容越大， $du_{c}/dt$ 越小。由于电容，所以不会再出现最大的瞬时尖峰损耗。

加入缓冲电容后，BJT功耗下降，但缓冲电路功耗增加。因为当下一次BJT开通时，电容 $C_{U}$ 将经电阻 $R_{U}$ 和BJT放电，BJT关断之后存储的 $C_{U}U_{d}^{2}/2$ 能量消耗在电阻上。故称耗能式关断缓冲电路。

无缓冲电容时，集电极电压上升时间极短，出现大的瞬时关断损耗；当缓冲电容 $C_{U}$ 较小，那么 $i_{C}$ 下降到零以前集电极电压已上升至电源电压；当缓冲电容较大 $C_{U}$ 时， $i_{C}$ 下降到零以后，集电极电压才上升至电源电压。所以缓冲电容 $C_{U}$ 越大，关断损耗越小。

开通缓冲电路

开通缓冲电路称为di/dt抑制电路，用串联电感缓冲。

开通缓冲电路由电感和 $R_{i}$ 、 $VD_{i}$ 组成并与BJT集电极相串联。在BJT开通过程，电感 $L_{i}$ 控制电流的上升率 $di/dt$ ；当BJT关断时，储存在电感 $L_{i}$ 中的能量经过二极管消耗在电阻上。

在开通的瞬间 $i_{C}$ 即达到 $I_{d}$ 而 $u_{C}$ 线性下降，出现开通尖峰功耗。加入缓冲电路 $di_{C}/dt$ 后，电感 $L_{i}$ 越大， $i_{C}$ 上升时间增大， $di_{C}/dt$ 越小，开通功耗最大值减小。

复合缓冲电路

开通时，减少 $di_{C}/dt$ ，缓冲电容 $C_{U}$ 经 $R_{U}$ 、 $L_{i}$ 回路放电。关断时， $C_{U}$ 和 $VD_{U}$ 组成有极性的缓冲电路。限制BJT的 $du_{C}/dt$ 及关断损耗，电阻 $R_{U}$ 提供放电电路。

明显地改变了集电极电压和电流同时出现最大值的情况。

3、馈能式缓冲电路

可分为无源的和有源的两种方式。下面介绍无源馈能式缓冲电路。

馈能式关断缓冲电路

$C_{0}$ 称为转移电容， $VD_{C}$ 称为回馈二极管。

开通时，电容 $C_{U}$ 上的电压通过 $L_{0}$ 、 $VD_{0}$ 、 $C_{0}$ 、BJT，通路转移至电容 $C_{0}$ 上， $L_{0}$ 限制放电电流。关断时， $C_{U}$ 充电至电源电压 $U_{d}$ ， $C_{0}$ 通过 $VD_{C}$ 向负载放电，能量得到回馈。 $C_{U}$ 限制了电压上升率。

馈能式开通缓冲电路

耦合电感匝比为1：N，一次侧起抑制 $di/dt$ 的作用。开通时，一次侧承受全部电源电压 $U_{d}$ ，二次侧异名端电压低，无通电回路。关断时，异名端电压高于电源电压 $U_{d}$ 时，向电源馈送能量。

馈能式复合电路

BJT关断时，缓冲电容器 $C_{U}$ 充电至电源电压 $U_{d}$ 。

BJT开通时，电感 $L_{i}$ 抑制BJT开通时的电流变化率；当 $C_{0}$ 电容值远大于 $C_{U}$ 电容值时，电容 $C_{0}$ 上的电压很低（ $U=\frac{1}{C}\int i(t)dt$ ），电容 $C_{U}$ 上的部分能量向电容 $C_{0}$ 转移。

当BJT再次关断时，电容 $C_{U}$ 再次得到充电，使BJT在电压上升过程中电流减小。电容 $C_{0}$ 两侧的电位升高，能量得到回馈。当电感 $L_{i}$ 能量较大、 $C_{0}$ 右电位高于 $U_{d}$ 时，电感 $L_{i}$ 通过 $VD_{U}$ 和 $VD_{0}$ 将储存的能量通过 $VD_{C}$ 馈送给负载。

充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。

另外两种常用的缓冲电路

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。