电力电子技术中的器件保护：过电压、过电流与缓冲电路详解
电力电子技术中的器件保护：过电压、过电流与缓冲电路详解
电力电子技术是现代电力系统的核心技术之一，广泛应用于电力传输、工业控制、新能源等领域。在电力电子系统中，各种电力电子器件（如晶闸管、IGBT等）在开关过程中容易受到过电压和过电流的影响，导致器件损坏或系统故障。因此，器件保护技术是确保电力电子系统可靠运行的关键。本文将详细介绍电力电子器件的过电压保护、过电流保护以及缓冲电路的设计原理和应用方法。
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），
——阀侧浪涌过电压抑制用RC电路（阻容吸收），
——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，
——阀器件换相过电压抑制用RC电路（元件阻容吸收），
——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
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：
，，
S为变压器每相容量；
为变压器二次侧相电压有效值；
为变压器励磁电流百分值，
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：
压敏电阻伏安特性
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
形。
压敏电阻保护的联结方法，从左到右依次为：单相联结、三相星型联结、三相三角型联结
压敏电阻选用方法：
- 额定电压：
(压敏电阻承受工作电压的峰值)，式中
为电网电压升高系数，一般取1.11.2。系数（0.80.9）为性能退化系数。 - 估算
值，
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
晶闸管变流装置过流保护措施：L—交流进线电抗器、B—电流检测、
FUF—快速熔断器、KOC—过流继电器、Q_DCF—直流快速开关
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
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
：
。 - 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。
分类
根据关断开通状态分类：
- 关断缓冲电路（du/dt抑制电路）——吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。
- 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。
- 复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。
按能量的去向分类：耗能式缓冲电路（电阻损耗掉能量，电路简单，但效率低）和馈能式缓冲电路（无损吸收电路，能量以适当的方式再提供给负载或回馈给供电电源，效率高但复杂很多）。
通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路（用得较少）叫做di/dt抑制电路。
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
和集电极电流
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的开关波形与负载轨迹线
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
通过BJT；当BJT截止时，负载电流
通过二极管
；当电感极大时，电流
基本不变；当BJT导通时，BJT电流
很快上升到负载电流
。在BJT关断、集电极电压上升过程，一直有负载电流
通过。
BJT的缓冲电路
2、耗能式缓冲电路
关断缓冲电路
耗能式关断缓冲电路
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
和
，
受到限制，电容越大，
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
将经电阻
和BJT放电，BJT关断之后存储的
能量消耗在电阻上。故称耗能式关断缓冲电路。
加入关断缓冲电路后的负载轨迹线
b）缓冲电容为零
c）缓冲电容较小
d）缓冲电容较大
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
较小，那么
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
时，
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
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
开通缓冲电路由电感和
、
组成并与BJT集电极相串联。在BJT开通过程，电感
控制电流的上升率
；当BJT关断时，储存在电感
中的能量经过二极管消耗在电阻上。
b）无缓冲电路
c）电感较小时
d）电感较大时
在开通的瞬间
即达到
而
线性下降，出现开通尖峰功耗。加入缓冲电路
后，电感
越大，
上升时间增大，
越小，开通功耗最大值减小。
同时采用缓冲电路和di/dt抑制电路
复合缓冲电路
开通时
关断时
开通时，减少
，缓冲电容
经
、
回路放电。关断时，
和
组成有极性的缓冲电路。限制BJT的
及关断损耗，电阻
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。
复合缓冲电路的负载轨迹
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
馈能式关断缓冲电路
称为转移电容，
称为回馈二极管。
开通时，电容
上的电压通过
、
、
、BJT，通路转移至电容
上，
限制放电电流。关断时，
充电至电源电压
，
通过
向负载放电，能量得到回馈。
限制了电压上升率。
馈能式开通缓冲电路
馈能式开通缓冲电路
耦合电感匝比为1：N，一次侧起抑制
的作用。开通时，一次侧承受全部电源电压
，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
时，向电源馈送能量。
馈能式复合电路
BJT关断时，缓冲电容器
充电至电源电压
。
BJT开通时，电感
抑制BJT开通时的电流变化率；当
电容值远大于
电容值时，电容
上的电压很低（
），电容
上的部分能量向电容
转移。
馈能式复合缓冲电路
当BJT再次关断时，电容
再次得到充电，使BJT在电压上升过程中电流减小。电容
两侧的电位升高，能量得到回馈。当电感
能量较大、
右电位高于
时，电感
通过
和
将储存的能量通过
馈送给负载。
馈能式复合缓冲电路
充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。
di/dt抑制电路和充放电型
RCD缓冲电路
另外两种常用的缓冲电路
a）RC吸收电路；b）放电阻止型RCD吸收电路
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。