- 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
- 自關斷保護法
GTO主要應用于大容量的斬波器、逆變器及開關電路中，其中最引人關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，導致GTO燒毀。造成橋臂短路的原因一般有兩種，一是邏輯設計不合理，兩個GTO的關斷和導通之間沒有足夠的時間間隔(即死區(qū))，在一只GTO尚未完全關斷時，另一只GTO已經(jīng)導通，造成兩個GTO同時導通;二是由于種種原因造成的誤觸發(fā)，當橋臂中的一只GTO導通時，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，或由于緩沖電路設計不當出現(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)相應支路的GTO，其短路電流相當大。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。最嚴重的情況是，當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處于關斷過程，此時有最大可關斷陽極電流的限制，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斷陽極電流時迅速撤除門極關斷信號，利用浪涌能力進行保護，或在未超過最大陽極可關斷電流范圍內(nèi)使GTO迅速關斷。
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，故應采用電抗器限流，并盡快切除關斷信號，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)必須設置過電流檢測電路。當GTO接近關斷能力極限時，切斷GTO的關斷信號，即GTO過電流超過可關斷陽極電流的極限值時，絕對不能再用門極信號去關斷。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自關斷的方法。因為大功率GTO的非重復可關斷電流比中、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斷GTO的辦法，與之相反，應發(fā)出所有GTO的開通信號使逆變器全導通，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電路中應用很普遍，其工作原理如圖1所示。由圖1可看出，當逆變器由于誤觸發(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的關斷信號并觸發(fā)所有GTO，使短路電流由所有GTO承擔，減小電流集中現(xiàn)象。
(3)交流側斷路器跳閘。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的應用中，也可采用熔斷器和撬杠兩者結合的方法。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，因而得到一定的應用。
3)自關斷保護法
GTO本身具有的自關斷能力也可用作過流保護。GTO的陽極可關斷能力包括可關斷通態(tài)重復峰值電流和可關斷通態(tài)不重復峰值電流兩個參數(shù)。一般200A以下的小容量GTO可關斷通態(tài)不重復峰值電流比可關斷通態(tài)重復峰值電流大得多，利用這一特性可作過流保護，這種方法稱做自關斷保護法。
4、門極電路的過流保護
當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，為此應設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)。
