- GTO的過電流特性
- 逆變器的過電流保護
- 門極電路的過流保護
- 熔斷器保護法
- 撬杠保護法
- 自關(guān)斷保護法
GTO主要應(yīng)用于大容量的斬波器、逆變器及開關(guān)電路中，其中最引人關(guān)注的問題是由于各種原因造成的短路過電流現(xiàn)象;因此它嚴重地威脅著器件乃至整機設(shè)備的安全。為此，必須研究過電流產(chǎn)生的原因及如何在電流情況下采取措施保護GTO，使其免遭損壞。
1、過電流的產(chǎn)生
過電流包括過載和短路兩種情況。因負載過大而產(chǎn)生過載電流一般可用負反饋控制法進行保護，此處不再進行討論。這里主要討論短路過電流情況。短路過電流的出現(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GTO同時導(dǎo)通，則會產(chǎn)生橋臂短路現(xiàn)象，亦稱橋臂直通故障。此時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)計不合理，兩個GTO的關(guān)斷和導(dǎo)通之間沒有足夠的時間間隔(即死區(qū))，在一只GTO尚未完全關(guān)斷時，另一只GTO已經(jīng)導(dǎo)通，造成兩個GTO同時導(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，另一只GTO由于誤觸發(fā)也會造成橋臂短路。誤觸發(fā)的原因一般來自門極電路，例如各種毛刺信號的出現(xiàn)，外界電磁干擾，或由于緩沖電路設(shè)計不當(dāng)出現(xiàn)過高的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。若逆變器的負載是電動機，則電動機起動時電流沖擊也很大，盡管此時不是短路電流，但電流上升率也會相當(dāng)大，造成GTO損壞。
(3)輸出端線對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)。最嚴重的情況是，當(dāng)濾波電容電壓放電到低于母線與中性點間電壓的峰值時，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。
2、GTO的過電流特性
GTO的過電流特性與GTR不同。當(dāng)門極處于正向偏置時，GTO開通，只有電流有效值、浪涌電流和I2t值的限制，沒有安全工作區(qū)的規(guī)定。門極處于反向偏置時，GTO處于關(guān)斷過程，此時有最大可關(guān)斷陽極電流的限制，并有反向偏置安全工作區(qū)RB-SOA，可見GTO的過電流保護要比GTR復(fù)雜一些。
過電流保護可從兩方面考慮：一是熱保護，GTO不能因為過載超過所規(guī)定的結(jié)溫;二是電保護，發(fā)生過電流時，希望過電流在未超過所允許的最大可關(guān)斷陽極電流時迅速撤除門極關(guān)斷信號，利用浪涌能力進行保護，或在未超過最大陽極可關(guān)斷電流范圍內(nèi)使GTO迅速關(guān)斷。
針對上述問題，可采取各種措施對GTO進行過電流保護。
3、逆變器的過電流保護
逆變器的過電流保護是指GTO整機設(shè)備的最終保護措施，它可防止事故的繼續(xù)擴展。具體保護方法有以下3種。
1)熔斷器保護法
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行保護。用熔斷器保護GTO逆變器的過程是：檢測過電流→電抗器限流→切除GTO關(guān)斷信號→熔斷器斷流。
GTO逆變器內(nèi)部電感很小，通常只有幾個微亨，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，然后在浪涌能力范圍內(nèi)由熔斷器切斷故障電流。顯然，對這種過電流難以用普通電力熔斷器或交直流電磁開關(guān)進行保護，必須用快速熔斷器進行保護。
快速熔斷器的斷流時間在10ms以內(nèi)，切斷時發(fā)生的電弧電壓很小。用快速熔斷器保護GTO時，必須注意以下兩點。
(1)必須設(shè)置過電流檢測電路。當(dāng)GTO接近關(guān)斷能力極限時，切斷GTO的關(guān)斷信號，即GTO過電流超過可關(guān)斷陽極電流的極限值時，絕對不能再用門極信號去關(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行保護。
(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逆變器的短路過電流保護不能采用GTO自關(guān)斷的方法。因為大功率GTO的非重復(fù)可關(guān)斷電流比中、小功率的GTO要小，在短路過電流時不能采用門極脈沖強迫關(guān)斷GTO的辦法，與之相反，應(yīng)發(fā)出所有GTO的開通信號使逆變器全導(dǎo)通，并用熔斷器對GTO進行過流保護。
2)撬杠保護法
撬杠保護法也稱做非熔斷器保護法，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，濾波電容的放電電流急劇增大，通過傳感器檢測出電容放電電流的信號，然后產(chǎn)生如下動作。
(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。其保護過程是：短路過電流→電抗器限流→撬杠分流→熔斷器斷流。
這種保護方法利用了撬杠電路中T浪涌能力強的特點，對GTO逆變器進行短路過電流保護的效果比較好，因而得到一定的應(yīng)用。
3)自關(guān)斷保護法
GTO本身具有的自關(guān)斷能力也可用作過流保護。GTO的陽極可關(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流保護，這種方法稱做自關(guān)斷保護法。
4、門極電路的過流保護
當(dāng)GTO損壞之后，陽極與門極間往往處于短路狀態(tài)，外加的高電壓通過陽極引入門極電路，引起門極電路的損壞，為此應(yīng)設(shè)置門極電路的保護環(huán)節(jié)。具體措施如下：
(1)在門極電路的輸出端接一快速熔斷器實現(xiàn)過流保護，以便使門極電路盡快與GTO門極端子斷開;
(2)在門極電路的輸出端同時接一齊納二極管，以使門極電路箝位在安全電壓范圍之內(nèi)。
