[发明专利]复合式过压保护器及其在半导体变流设备中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种过压保护器，尤其涉及一种应用在半导体变流设备中的过压 保护器。

背景技术

半导体变流设备是将电源系统的电压、电流、频率、波形、相数和其他电 量或特性进行变换的电器设备，包括整流器(交流变直流)、逆变器(直流变交 流)、斩波器、交流调压器、变频器和直流-直流变换器等。目前半导体变流设 备已广泛应用于冶金、化工、电力、矿山机械、交通运输等领域。半导体变流 设备的核心功能部件是利用硅半导体技术生产的各种电力半导体器件，包括整 流二极管、晶闸管及其派生型器件、功率晶体管及其派生型器件和高效电力光 电器件等。

由于电力半导体器件承受过电压的能力较差，很短时间的过电压就会把器 件损坏。为使电力半导体器件能够可靠地长期运行，除了充分留有余地合理选 择其额定电压、不重复峰值电压以外，必须针对过电压发生的原因采取恰当的 保护措施。

变流设备在运行时会普遍遭遇两种类型的过电压：操作过电压和雷击过电 压。操作过电压是由变流设备的拉闸、合闸和在电力半导体器件关断或换相等 电磁过程引起的过电压，其特点是放电时间长(几十毫秒到几秒)、泄放能量大 (1kJ以上)，但电压峰值和放电电流一般不大，这些操作过电压是经常发生且 无法避免的；雷击过电压是从电网侵入的偶发性浪涌过电压，其特点是电压峰 值和放电电流峰值很高(几十kV和几十kA以上)，但放电时间极短(10～ 100μs)，这种过电压的能量一般远小于操作过电压的能量。

以晶闸管整流设备为例，历史上曾经采用过的各种过压保护方案如图1所 示。图1中，A为避雷针；B为变压器屏蔽绕组和接地电容；C为耦合电容；D 为阻容保护电路；E为整流式阻容保护电路；F为硒堆保护电路；G为高能型氧 化锌压敏电阻；H为器件侧阻容保护电路；I为晶闸管泄能电路。其中，A、B、 C是针对从供电变压器原边耦合到副边的过电压(包括雷击过电压)采取的保 护措施，H是针对晶闸管换相过电压采取的保护措施、D、E、F、G、I是针对 交流输入侧和变流输出侧产生的操作过电压采取的保护措施，它们的作用基本 相同。自上世纪90年代以来，以ZnO-Bi₂O₃-TiO₂系高能型氧化锌压敏电阻 片为核心元件的吸能型晶闸管过压保护器(即图1中的G，中国专利 ZL200720037734.2、中国专利ZL200720037736.1、中国专利ZL200420054800.3) 大量进入市场，并以体积小、能量容量大、过电压抑制能力强等优势迅速取代 了除A、B和H之外的其它保护方案，成为半导体变流设备操作过电压保护的 主流产品。

在通常情况下，除了为电力轨道交通车辆供电的半导体变流设备外，半导 体变流设备自身及其供电变压器的副边都是浮地的，而雷击过电压都发生在相 线与大地之间，因此有许多人认为这种设计方法对雷击过电压具有天然的抵御 能力。但是在实际运行中，由于雷击过电压引起的电力半导体器件的损坏问题 时有发生，给用户造成较大的经济损失。下面对雷击过电压击毁浮地变流设备 的原因做一分析。

如图2所示的一个晶闸管整流设备，直流正极母线和负极母线与大地之间 的绝缘电阻分别以R₁和R₂表示，当一个峰值为±V_s的雷击过电压从交流侧的 任意一条相线(如图2中的A相)侵入设备时，正极性雷作用在共阳极晶闸管 上的或负极性雷作用在共阴极晶闸管上的过电压U_ST+可表示为：

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