[發明專利]復合式過壓保護器及其在半導體變流設備中的應用

有效

• 申請號: 200910054296.4
• 申請日: 2009-07-02
• 公開（公告）號: CN101593974A
• 公開（公告）日: 2009-12-02
• 發明（設計）人: 孫丹峰;朱世良;張寧;王燚
• 申請（專利權）人: 蘇州市電通電力電子有限公司;保定萊特整流器制造有限公司
• 主分類號: H02H9/04
• 分類號: H02H9/04;H02H7/10
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司
• 代理人: 孫仿衛

技術領域

本發明涉及一種過壓保護器，尤其涉及一種應用在半導體變流設備中的過壓 保護器。

背景技術

半導體變流設備是將電源系統的電壓、電流、頻率、波形、相數和其他電 量或特性進行變換的電器設備，包括整流器(交流變直流)、逆變器(直流變交 流)、斬波器、交流調壓器、變頻器和直流-直流變換器等。目前半導體變流設 備已廣泛應用于冶金、化工、電力、礦山機械、交通運輸等領域。半導體變流 設備的核心功能部件是利用硅半導體技術生產的各種電力半導體器件，包括整 流二極管、晶閘管及其派生型器件、功率晶體管及其派生型器件和高效電力光 電器件等。

由于電力半導體器件承受過電壓的能力較差，很短時間的過電壓就會把器 件損壞。為使電力半導體器件能夠可靠地長期運行，除了充分留有余地合理選 擇其額定電壓、不重復峰值電壓以外，必須針對過電壓發生的原因采取恰當的 保護措施。

變流設備在運行時會普遍遭遇兩種類型的過電壓：操作過電壓和雷擊過電 壓。操作過電壓是由變流設備的拉閘、合閘和在電力半導體器件關斷或換相等 電磁過程引起的過電壓，其特點是放電時間長(幾十毫秒到幾秒)、泄放能量大 (1kJ以上)，但電壓峰值和放電電流一般不大，這些操作過電壓是經常發生且 無法避免的；雷擊過電壓是從電網侵入的偶發性浪涌過電壓，其特點是電壓峰 值和放電電流峰值很高(幾十kV和幾十kA以上)，但放電時間極短(10～ 100μs)，這種過電壓的能量一般遠小于操作過電壓的能量。

以晶閘管整流設備為例，歷史上曾經采用過的各種過壓保護方案如圖1所 示。圖1中，A為避雷針；B為變壓器屏蔽繞組和接地電容；C為耦合電容；D 為阻容保護電路；E為整流式阻容保護電路；F為硒堆保護電路；G為高能型氧 化鋅壓敏電阻；H為器件側阻容保護電路；I為晶閘管泄能電路。其中，A、B、 C是針對從供電變壓器原邊耦合到副邊的過電壓(包括雷擊過電壓)采取的保 護措施，H是針對晶閘管換相過電壓采取的保護措施、D、E、F、G、I是針對 交流輸入側和變流輸出側產生的操作過電壓采取的保護措施，它們的作用基本 相同。自上世紀90年代以來，以ZnO-Bi₂O₃-TiO₂系高能型氧化鋅壓敏電阻 片為核心元件的吸能型晶閘管過壓保護器(即圖1中的G，中國專利 ZL200720037734.2、中國專利ZL200720037736.1、中國專利ZL200420054800.3) 大量進入市場，并以體積小、能量容量大、過電壓抑制能力強等優勢迅速取代 了除A、B和H之外的其它保護方案，成為半導體變流設備操作過電壓保護的 主流產品。

在通常情況下，除了為電力軌道交通車輛供電的半導體變流設備外，半導 體變流設備自身及其供電變壓器的副邊都是浮地的，而雷擊過電壓都發生在相 線與大地之間，因此有許多人認為這種設計方法對雷擊過電壓具有天然的抵御 能力。但是在實際運行中，由于雷擊過電壓引起的電力半導體器件的損壞問題 時有發生，給用戶造成較大的經濟損失。下面對雷擊過電壓擊毀浮地變流設備 的原因做一分析。

如圖2所示的一個晶閘管整流設備，直流正極母線和負極母線與大地之間 的絕緣電阻分別以R₁和R₂表示，當一個峰值為±V_s的雷擊過電壓從交流側的 任意一條相線(如圖2中的A相)侵入設備時，正極性雷作用在共陽極晶閘管 上的或負極性雷作用在共陰極晶閘管上的過電壓U_ST+可表示為：

UST+=RdRd+R1Vs---(1)]]>