6种晶闸管（可控硅）保护电路解析（上）

众所周知，晶闸管的应用十分广泛，晶闸管是一种非常精密的半导体器件。在使用过程中，我们必须在其指定的范围内才能获得所需要的输出，但是由于过电压、过电流等原因，晶闸管在运行过程中会面临不同类型的威胁，因此为了保证电路的正常运转，保证晶闸管的使用寿命，我们可以采取不同类型的晶闸管保护方案。

接下来将详细讲一下晶闸管保护的方法。

1、过压保护

2、过流保护

3、高 dv/dt 保护

4、高 di/dt 保护

5、热保护

6、门保护

电子技术控

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一、晶闸管（可控硅）过压保护

晶闸管（可控硅）对电压非常敏感，当正向电压超过断态重复峰值电压（UDRM）的某个值时，晶闸管会误导通，导致电路故障。

当施加的反向电压超过反向重复峰值电压（URRM）的某个值时，将立即损坏。因此，有必要研究过电压的原因和抑制过电压的方法。

过电压主要是由于供给的电力或系统的储能发生剧烈变化，使系统没有足够的时间进行转换，或者系统中原本积累的电磁能没有及时消散。

下图为过压示例图。

过压示例

过电压的种类

过电压主要有两种：一种是由雷击等外部冲击引起的，另一种是开关分闸和合闸引起的冲击电压。

雷击或高压断路器动作产生的过电压是几微秒到几毫秒的电压尖峰，对晶闸管来说是非常危险的。而开关开合引起的冲击电压又分为以下几类：

1）交流电源开合产生的过电压

过电压可能是由于交流开关的开合或交流熔断器的熔断引起的。由于变压器绕组的分布电容、漏抗引起的谐振电路，过电压值变为正常值的2～10倍。一般开合速度越快，过电压就越高，在空载情况下断开电路时该值会更高。

2. 直流侧产生的过电压

如果电路的电感大或者我们切断电路时的电流值大，都会产生比较大的过电压。这种情况经常发生在电流突变时，由切断负载、导通晶闸管开路或熔断器快速熔断引起。

3. 换相冲击电压

换相过电压是晶闸管电流下降到0时，器件结层中残留的载流子复合引起的，所以也称为载流子积累效应引起的过电压。

换相过电压后，会发生换相振荡过电压。它是由电感和电容的谐振引起的振荡电压。其值与换相后的反向电压有关。反向电压越高，换向振荡过电压越大。

晶闸管（可控硅）保护电路--D 类：脉冲换向

晶闸管（可控硅）过电压保护措施

针对形成过电压的不同原因，可采用不同的抑制方法，如减小过电压源、衰减过电压幅值等；抑制过电压能量的上升速率，延缓产生能量的耗散速率，增加其耗散路径；使用电子电路进行保护。

最常见的方法是在回路中连接能量吸收元件以耗散能量，通常称为吸收回路或缓冲电路。

当设备上出现浪涌电压时，这些设备会在晶闸管上提供低电阻路径。下图显示了使用晶闸管二极管和缓冲网络对晶闸管进行过电压保护。

晶闸管电压保护电路图

1. 晶闸管（可控硅）保护电路--阻容（RC）缓冲电路

通常，过电压的频率很高，因此电容通常用作吸收元件。为防止振荡，常加阻尼电阻，形成阻容吸收电路。阻容吸收电路可以连接在电路的交流侧和直流侧，也可以并联在晶闸管的正负极之间。吸收电路最好使用无感电容，布线尽量短。

晶闸管（可控硅）保护电路--反向极化 RC 缓冲电路

晶闸管（可控硅）保护电路--非极化缓冲电路

2）晶闸管（可控硅）保护电路--过压撬棒电路

晶闸管过压保护电路或保护电路连接在电源的输出和地之间，选择齐纳二极管电压略高于输出轨的电压。

通常，5 V电源可以与 6.2 V齐纳二极管一起运行，当达到齐纳二极管电压时，电流将流过齐纳二极管并触发可控硅或晶闸管。

然后，这将提供对地短路，从而保护正在供电的电路免受任何损坏，并且还会熔断保险丝，然后从串联调节器中移除电压。

晶闸管过压保护电路

3）由非线性元件组成的吸收回路

上述阻容吸收电路的时间常数RC是固定的，有时不能将时间短、峰值高、能量大的过电压放电，抑制过电压的效果很差。因此，通常在转换器的输入和输出线上也并联了硒堆或压敏电阻等非线性元件。

硒堆的工作电压与温度有关，温度越低，耐压越高。此外，硒堆具有自恢复性，可反复使用。过电压作用后，硒基片上的烧孔又被溶解的硒覆盖，工作特性再次恢复。

压敏电阻是一种基于氧化锌的金属氧化物非线性电阻器。它有两个电极，电极之间填充了粒径为10-50μm的不规则ZNO微晶。并且在晶体之间存在约1μm的氧化铋颗粒层。

该晶界层在正常电压下处于高阻抗状态，只有小于 100 μA 的小漏电流。当施加电压时，引起电子雪崩，晶界层迅速进入低阻抗状态。电流迅速增加，泄漏能量并抑制过电压，从而保护晶闸管。浪涌后，晶界层恢复到高电阻状态。

非线性电阻也称为电压钳位装置，如下图所示：

电压钳位装置

电压钳位装置是一个非线性电阻，它连接在可控硅的阴极和阳极之间。电压钳位器件的电阻随着电压的增加而减小。

在正常工作条件下，电压钳位 (VC) 器件具有高电阻，仅吸收漏电流。当电压浪涌出现时，电压钳位装置提供低电阻，并在晶闸管上产生虚拟短路，因此，晶闸管两端的电压被钳位到一个安全值。

当浪涌条件过电压钳位装置返回高电阻状态。例如电压钳位装置：

1、硒闸流管二极管

2、金属氧化物压敏电阻

3、雪崩二极管抑制器