GTO的过电流保护

GTO主要应用于大容量的斩波器、逆变器及开关电路中，其中最引人关注的问题是由于各种原因造成的短路过电流现象；因此它严重地威胁着器件乃至整机设备的安全。为此，必须研究过电流产生的原因及如何在电流情况下采取措施保护GTO，使其免遭损坏。

1、  过电流的产生

过电流包括过载和短路两种情况。因负载过大而产生过载电流一般可用负反馈控制法进行保护，此处不再进行讨论。这里主要讨论短路过电流情况。短路过电流的出现大致有下述3种原因。

（1）逆变器的桥臂短路   在GTO组成的逆变器中，若同一桥臂上的两个GTO同时导通，则会产生桥臂短路现象，亦称桥臂直通故障。此时短路电流的上升率和浪涌冲击电流都将很大，导致GTO烧毁。造成桥臂短路的原因一般有两种，一是逻辑设计不合理，两个GTO的关断和导通之间没有足够的时间间隔（即死区），在一只GTO尚未完全关断时，另一只GTO已经导通，造成两个GTO同时导通；二是由于种种原因造成的误触发，当桥臂中的一只GTO导通时，另一只GTO由于误触发也会造成桥臂短路。误触发的原因一般来自门极电路，例如各种毛刺信号的出现，外界电磁干扰，或由于缓冲电路设计不当出现过高的du/dt等。

（2）输出端的线间短路   若输出端发生线间短路，则短路电流流经相应支路的GTO，其短路电流相当大。若逆变器的负载是电动机，则电动机起动时电流冲击也很大，尽管此时不是短路电流，但电流上升率也会相当大，造成GTO损坏。

（3）输出端线对地短路   逆变器交流输出端若有一相接地，短路电流经GTO反并联二极管、滤波电容、整流二极管和交流侧熔断器流通，短路电流的大小与滤波电容上电压的高低有关。最严重的情况是，当滤波电容电压放电到低于母线与中性点间电压的峰值时，将有大的故障电流流通。适当选取反并联二极管和熔断器的容量可做到合理的保护。

2、GTO的过电流特性

GTO的过电流特性与GTR不同。当门极处于正向偏置时，GTO开通，只有电流有效值、浪涌电流和I²t值的限制，没有安全工作区的规定。门极处于反向偏置时，GTO处于关断过程，此时有最大可关断阳极电流的限制，并有反向偏置安全工作区RB-SOA，可见GTO的过电流保护要比GTR复杂一些。

过电流保护可从两方面考虑：一是热保护，GTO不能因为过载超过所规定的结温；二是电保护，发生过电流时，希望过电流在未超过所允许的最大可关断阳极电流时迅速撤除门极关断信号，利用浪涌能力进行保护，或在未超过最大阳极可关断电流范围内使GTO迅速关断。

针对上述问题，可采取各种措施对GTO进行过电流保护。

3、  逆变器的过电流保护

逆变器的过电流保护是指GTO整机设备的最终保护措施，它可防止事故的继续扩展。具体保护方法有以下3种。

1）  熔断器保护法

由于GTO具有浪涌能力，所以在一定条件下可用快速熔断器进行保护。用熔断器保护GTO逆变器的过程是：检测过电流→电抗器限流→切除GTO关断信号→熔断器断流。

GTO逆变器内部电感很小，通常只有几个微亨，一旦短路，电流上升很快，峰值很大，故应采用电抗器限流，并尽快切除关断信号，然后在浪涌能力范围内由熔断器切断故障电流。显然，对这种过电流难以用普通电力熔断器或交直流电磁开关进行保护，必须用快速熔断器进行保护。

快速熔断器的断流时间在10ms以内，切断时发生的电弧电压很小。用快速熔断器保护GTO时，必须注意以下两点。

（1） 必须设置过电流检测电路。当GTO接近关断能力极限时，切断GTO的关断信号，即GTO过电流超过可关断阳极电流的极限值时，绝对不能再用门极信号去关断。GTO具有与SCR一样的浪涌能力，利用这一特性可用快速熔断器进行保护。

（2） GTO和快速熔断器的I²t值必须合理匹配。选择快速熔断器时应使GTO允许的I²t大于快速熔断器的I²t值。

大容量GTO逆变器的短路过电流保护不能采用GTO自关断的方法。因为大功率GTO的非重复可关断电流比中、小功率的GTO要小，在短路过电流时不能采用门极脉冲强迫关断GTO的办法，与之相反，应发出所有GTO的开通信号使逆变器全导通，并用熔断器对GTO进行过流保护。

2）  撬杠保护法

撬杠保护法也称做非熔断器保护法，在中大容量GTO电路中应用很普遍，其工作原理如图1所示。由图1可看出，当逆变器由于误触发等原因发生短路故障时，滤波电容的放电电流急剧增大，通过传感器检测出电容放电电流的信号，然后产生如下动作。

（1） 触发并联晶闸管T，使GTO逆变器分流，T串联一小电感L₃，以便限制T的di/dt。

（2） 封锁GTO的关断信号并触发所有GTO，使短路电流由所有GTO承担，减小电流集中现象。

（3） 交流侧断路器跳闸。图1中的L₁、L₂为限制短路电流上升速度的电感，L_d为直流滤波电抗器。

在大容量GTO的应用中，也可采用熔断器和撬杠两者结合的方法。其保护过程是：短路过电流→电抗器限流→撬杠分流→熔断器断流。

这种保护方法利用了撬杠电路中T浪涌能力强的特点，对GTO逆变器进行短路过电流保护的效果比较好，因而得到一定的应用。

3）  自关断保护法

GTO本身具有的自关断能力也可用作过流保护。GTO的阳极可关断能力包括可关断通态重复峰值电流和可关断通态不重复峰值电流两个参数。一般200A以下的小容量GTO可关断通态不重复峰值电流比可关断通态重复峰值电流大得多，利用这一特性可作过流保护，这种方法称做自关断保护法。

4、  门极电路的过流保护

当GTO损坏之后，阳极与门极间往往处于短路状态，外加的高电压通过阳极引入门极电路，引起门极电路的损坏，为此应设置门极电路的保护环节。具体措施如下：

（1） 在门极电路的输出端接一快速熔断器实现过流保护，以便使门极电路尽快与GTO门极端子断开；

（2） 在门极电路的输出端同时接一齐纳二极管，以使门极电路箝位在安全电压范围之内。