【導讀】功率二極管晶閘管廣泛應用於(yu) AC/DC變換器，UPS，交流靜態開關(guan) ，SVC和電解氫等場合，但大多數工程師對這類雙極性器件的了解不及對IGBT的了解，為(wei) 此我們(men) 組織了6篇連載，包括正向特性，動態特性，控製特性，保護以及損耗與(yu) 熱特性。內(nei) 容摘來自英飛淩《雙極性半導體(ti) 技術信息》。

7.保護

晶閘管和二極管必須得到可靠的保護，避免電流和電壓過高以及控製電路中的脈衝(chong) 幹擾。

7.1 過壓保護

總體(ti) 而言，裝置中產(chan) 生過壓的原因如下：

內(nei) 部過壓——由於(yu) 功率半導體(ti) 的載流子存儲(chu) 效應

外部過壓——由於(yu) 線路上的開關(guan) 過程和大氣影響，例如：

●    變壓器空載時的開關(guan)

●    感性負載時的開關(guan)

●    熔斷器熔斷瞬間

●    遭受雷擊

晶閘管和二極管可能因數微秒的過壓而被破壞，因此需要特別注意其過壓保護。設計合適的緩衝(chong) 電路時，須考慮阻斷能力(V_DRM,V_RRM)和電壓臨(lin) 界上升率(dv/dt)_cr。

7.1.1 單獨緩衝(chong) （RC緩衝(chong) 電路）

關(guan) 斷晶閘管或二極管的負載電流時，由於(yu) 載流子存儲(chu) 效應，負載電流不會(hui) 在過零時停止流動，而是作為(wei) 反向恢複電流繼續沿反向流動（圖23）。一旦達到反向峰值恢複電流，反向延遲電流發生一定程度的陡降，這將使負載回路中的電感上產(chan) 生尖峰電壓並疊加到器件兩(liang) 端的電壓上，從(cong) 而可能使半導體(ti) 過壓受損。

通過RC緩衝(chong) 電路對半導體(ti) 進行單獨緩衝(chong) 可以有效降低這種過壓。為(wei) 了確保緩衝(chong) 電路合適，有必要了解最重要的影響因素，例如通態電流的電流強度iTM或iFM 和電流變化率-diT/dt或-diF/dt，半導體(ti) 的反向重複峰值阻斷電壓V_RRM，晶閘管的電壓臨(lin) 界變化率(dv/dt)_cr。在電網換相變流器中，可在以下條件下，在表2所示的正常工作條件下使用晶閘管和二極管RC緩衝(chong) 電路：

●    變流器供電變壓器的短路電壓uK>4%。直接與(yu) 電網相連時，必須相應調整扼流圈的規格。

●    重複峰值斷態電壓和電源電壓峰值之間比值的安全裕量 >2.2

表2.電網應用中用於(yu) 單獨緩衝(chong) 的RC緩衝(chong) 電路

尤其是在通態電流變化率高或阻斷能力安全裕量低的情況下，應檢查上述建議RC緩衝(chong) 電路是否合適。在這種情況下，通常需要電容值更大的電容器和電阻值經過適當重新調整的電阻器。按以下公式計算最有利的非周期性抑製過壓過程的最佳等效電阻：

其中，R’和C’為(wei) RC串聯緩衝(chong) 電路的等效值，L’為(wei) 變流器電感的等效值。

表3.變流器電路的等效值

R,C=RC緩衝(chong) 電路的值

LS=變流器變壓器的雜散電感（一相）

Lg=平滑扼流圈的電感

對於(yu) 晶閘管，還須注意，RC緩衝(chong) 電路的電阻值必須為(wei)

其目的是使晶閘管在開通過程中不會(hui) 承受來自緩衝(chong) 電路的過高放電電流（另見3.4.1.2.3）。

按以下公式計算電阻器的耗散功率:

k=2*10^-6  適用於(yu) 不可控整流器

k=4*10^-6  適用於(yu) 可控單脈衝(chong) 和雙脈衝(chong) 電路及交流控製器

k=6*10^-6  適用於(yu) 可控三脈衝(chong) 和六脈衝(chong) 電路及三相控製器

應確保在公式中使用具有以下單位的值：

P_R[W]

V_r[V]

C[µF]

f[Hz]

如有要求，可按照圖41修改緩衝(chong) 電路，以減小過壓，進而減小晶閘管在開通過程中承受的應力。

圖41.用於(yu) 晶閘管的擴展RC緩衝(chong) 電路示例

a–采用雙極型電壓浪湧抑製器

b–采用RCD組合來抑製開通電流

c–采用RCD組合來抑製dv/dt和正向斷態電壓

注意：Do=快速二極管，尤其是在開通情況下

存在變壓器緩衝(chong) 時，隻要所用晶閘管的最高電壓上升率達到(dv/dt)_cr>500V/µs，則在整流器工作電路中可以不使用RC緩衝(chong) 電路（見7.13）,

7.1.2 交流控製器的輸入緩衝(chong)

在交流控製器和三相控製器中，在反並聯配置中使用的晶閘管可用於(yu) 相控製以及例如軟啟動器中的全波工況。圖42

圖42.交流控製器的緩衝(chong) 電路

顯示的是緩衝(chong) 電路。

表2中的RC串聯緩衝(chong) 電路建議值適用於(yu) 在正常工作條件和以下情況下的晶閘管的緩衝(chong) ：

●    電源電壓和電流之間的感應相位角<30°el(cos9> 0.866)。這樣可確保抑製緩衝(chong) 電路中可能出現的電容和電感串聯所導致的振蕩。

●    晶閘管的重複峰值阻斷電壓和電源電壓峰值之間的安全裕量>2.2（見3.1.2.1）。

●    晶閘管的電壓臨(lin) 界上升率(dv/dt)_cr>500V/µs。

注意：表2中規定的通態電流ITAV足夠準確，可被視為(wei) 單向配置中的晶閘管的平均值。為(wei) 了確定負載電流，可通過以下公式計算反並聯配置中單個(ge) 晶閘管的ITRMS RMS值和總電路的IRMS RMS值：

對於(yu) 大功率半導體(ti) 和在大型裝置中實施的光觸發晶閘管，常根據電路參數和所用半導體(ti) 類型優(you) 化緩衝(chong) 電路。在這種情況下可忽略電壓上升率，因為(wei) 這些晶閘管的電壓臨(lin) 界上升率明顯比上述標準高。

因此沒必要對緩衝(chong) 電路設計作一般性建議。

圖43.交流控製器電流計算

7.1.3 用於(yu) 電網換相變流器的電源緩衝(chong) 電路

最好通過組合式緩衝(chong) 電路來抑製來自電網的或者因變流器變壓器或扼流圈開關(guan) 導致的高能量過壓。對於(yu) 帶晶閘管或二極管的變流器，緩衝(chong) 電路位於(yu) 交流側(ce) ，並由帶二極管的輔助整流器和帶放電電阻的保護電容器組成。二極管橋會(hui) 阻礙緩衝(chong) 電路電容放電，所以這些放電電阻必不可少。必須設計放電電阻，使電容可以在一個(ge) 周期內(nei) 放電。（見圖44和表4）。

圖44.可控整流器交流側(ce) 的組合式緩衝(chong) 電路

表4.可控三相橋交流側(ce) 的組合式緩衝(chong) 電路中的元件

變流器和輔助整流器中的所有晶閘管和二極管通常沒必要另外采用單獨緩衝(chong) 電路，因為(wei) 組合式緩衝(chong) 電路也可起到RC網絡的作用。除非是一些雙變流器電路，例如兩(liang) 個(ge) 三相反並聯橋。設計組合式緩衝(chong) 電路時須注意以下元件：

串聯電阻R1

此元件可防止變流器變壓器在開關(guan) 時可能造成的振蕩。同時，它可以通過輔助整流器中的二極管限製保護電容器在開通和承受過壓時產(chan) 生的放電尖峰。

保護電容器C1

當變流器變壓器或扼流圈關(guan) 斷時，此元件必須吸收積累的能量，以免電壓超過需保護的晶閘管或二極管的最高允許重複峰值斷態電壓；開關(guan) 電弧損耗除外。

放電電阻R2

當連續過壓能量的放電時間常數R₂·C=80ms時，根據實際經驗選擇該元件的阻值。

輔助整流二極管

選擇輔助整流二極管時，除了考慮所需的阻斷能力，還要考慮器件可允許的浪湧電流，允許浪湧電流取決(jue) 於(yu) 保護電容器的電荷浪湧電流。過壓的發生時間較短且間隔時間較長，所以輔助整流管的利用率較低，功率耗散也較低。通常無需使用散熱器。

7.1.4 用於(yu) 高能量過壓保護的其他選擇

RLC濾波器

由變流器變壓器的雜散電感或換相扼流圈的電感以及在星點接地的RC網絡組成。它們(men) 適用於(yu) 抑製短期低能量過壓，因為(wei) 考慮到電容器的放電電流，可能不會(hui) 選擇阻值過低的電阻器。此外，由於(yu) 會(hui) 產(chan) 生損耗，電容大小會(hui) 受限（見圖45）。

火花隙避雷器

可用於(yu) 預計線路中會(hui) 產(chan) 生高能耗過壓的情況。由於(yu) 其在達到觸發電壓後會(hui) 延遲開通，因此通常有必要采用額外的過壓保護措施（見圖45）。

直流緩衝(chong) 器

可使用直流緩衝(chong) 器抑製負載側(ce) 的過壓（見圖45）。

可使用金屬氧化物壓敏電阻等電壓敏感型電阻器取代RC網絡。一方麵應記住，壓敏電阻通常不適合限製重複過壓，因為(wei) 它們(men) 在重複過壓情況下會(hui) 導致熱穩定性變差並嚴(yan) 重老化。另一方應注意，不得使用規格不合適的壓敏電阻，否則將妨礙高能量過壓保護裝置（通常為(wei) 火花隙避雷器）發揮作用。

圖45.用於(yu) 高能量過壓保護的其它選擇

7.2 過流保護

晶閘管和二極管可以承載較大工作電流，但也可能由於(yu) 過流而損壞，因此需要采取合適的保護措施。根據過流類型選擇合適的保護裝置。通常區分為(wei) 短期保護和長期保護。

7.2.1 用超快半導體(ti) 熔斷器實現短期保護

使用具有超快開路特性的特殊半導體(ti) 保護熔斷器實現短期保護，通過短期保護將短路產(chan) 生的過流限製到某個(ge) 值，該值可使晶閘管或二極管在長達一個(ge) 正弦半波的時間範圍內(nei) 不會(hui) 麵臨(lin) 受損風險。在最糟糕的情況下，它們(men) 在關(guan) 斷時可達到數據手冊(ce) 中針對具體(ti) 類型規定的∫i²dt 值。

半導體(ti) 承受∫i²dt值時完全或部分失去其斷態和阻斷能力，直到結溫下降至持續工作所允許的值。數秒後這種應力可能重複出現，在變流器的整個(ge) 工作時間內(nei) ，這種應力隻會(hui) 隨有限數目的脈衝(chong) 發生（另見3.1.16）。

7.2.1.1 熔斷器選型

可將熔斷器置於(yu) 一相或支路（橋臂）中。支路熔斷器可實現最安全的短期保護，並允許晶閘管或二極管的最大電流負載。采用相熔斷器可降低結構複雜性。

但是對於(yu) 具有反電動勢的負載可能產(chan) 生的反饋，必須在變流器輸出端另外采用熔斷器，因為(wei) 從(cong) 負載反饋到直流母線的短路電流不一定會(hui) 流過相熔斷器。

對於(yu) 一些載流能力高的晶閘管或二極管，有必要並聯兩(liang) 個(ge) 熔斷器。選擇熔斷器時需考慮以下值：

熔斷器額定電壓

熔斷器額定電壓必須高於(yu) 驅動短路電流的電壓。

驅動短路電流的電壓

此電壓通常與(yu) 電源電壓相等；僅(jin) 在交流變流器工作的情況下，此電壓為(wei) 電源電壓的1.8倍。

重複電壓V_RMS

此電壓等於(yu) 用驅動短路電流的電壓V_KRMS除以位於(yu) 短路路徑中的串聯熔斷器的個(ge) 數N再乘以安全係數F_s=1.3 所得的結果。以下公式適用：

例如在B2和B6電路中，V_RMS=1/2*1.3*V_KRMS= 0.65*V_KRMS

熔斷器起弧電壓

在滅弧過程中，熔斷器產(chan) 生起弧電壓（此電壓與(yu) 熔斷器結構有關(guan) ）和重複電壓。這些電壓的峰值不得超過半導體(ti) 浪湧峰值電壓，以防損害電路中的任何反向偏置元件。

熔斷器標稱電流額定值

該值通常指的是正弦波交流電流，並且會(hui) 因偏離電流波形而高於(yu) 或低於(yu) 額定值。熔斷器標稱電流應稍高於(yu) 預期的相或支路電流。

∫i²t關(guan) 斷值

該值是熔斷積分和電弧積分之和，因此必須低於(yu) 晶閘管的∫i²dt值。

圖46.超快熔斷器的關(guan) 斷特性

表5.分支（臂）電流和相電流的計算

短路電流增大過程中，熔斷體(ti) 首先熔斷。然後覆蓋填料——通常為(wei) 石英砂——熄滅由此產(chan) 生的電弧。這些熔斷器在3至5ms內(nei) 熔斷（見圖46）

可以使用表5所示的公式，用各種變流器電路的輸出電流計算出分支電流或相電流的RMS值。

這些因子適用於(yu) 電阻性負載和零延遲輸出。

7.2.2 更多保護設計：大功率半導體(ti) 的短期保護

7.2.2.1 高速直流斷路器

短路時可在幾毫秒內(nei) 實現電動觸發。因成本較高，很少使用這種裝置。

7.2.2.2 撬棍電路（電子短路器）

這種電路最常用於(yu) 帶關(guan) 斷元件(IGBT、GTO、IGCT)的電壓源逆變器。一旦直流總線電壓超過規定的保護電平，撬棍電路觸發且直流母線電容放電。當脈衝(chong) 電流使極性反轉時，通過特殊二極管或逆變器電路中的續流二極管饋電。

7.2.2.3 電網側(ce) 斷路器

半導體(ti) 必須承載短路電流直到斷路器斷開電網連接。在大型裝置中，這種情況在三至五個(ge) 半波後發生。

7.2.2.4 阻斷觸發脈衝(chong)

超過規定電平時，晶閘管的觸發脈衝(chong) 被抑製。然後晶閘管先後承受電流半波和反向斷態電壓和正向斷態電壓。這要求此半導體(ti) 具有足夠強的阻斷能力。

7.2.3 長期保護

可通過合適的熱和磁過流保護方法或熔斷器實現長期保護。這些保護裝置的關(guan) 斷特性應低於(yu) 短時工作中的過壓。晶閘管或二極管的阻斷能力將保持不變。因此通過阻斷觸發脈衝(chong) 也可以實現對晶閘管的長期保護。如果不需要最大阻斷能力，可根據章節3.1.14所述的最高過載通態電流特性確定中斷特性。

7.2.4 滿載額定保護

這種保護由長期保護和短期保護組成，實際上僅(jin) 通過組合使用幾種保護措施即可實現。

7.3 通過負載電路中的電感器限製動態電流

如果負載電路中的電感較低，開通晶閘管時，電流上升率可能過高。為(wei) 了避免損壞，有必要插入額外電感 LZ，此電感器可使開通電流的上升率減小（見圖 47）。這種方法還可降低開通損耗。

對於(yu) 線性電感，擴散觸發的矽片區域中的電流密度在電流上升過程中減小。

在飽和扼流圈中，當矽片的較大部分已處於(yu) 導通狀態時，經過階躍時間t_st（見圖47）後將出現較高電流上升率。在階躍時間開始時，階躍電流i_TSt（見圖47）應大致等於(yu) 重複開通電流I_T(RC)M（見3.4.1.2.3）。

如果階躍電流更低，可通過與(yu) 扼流圈並聯的電阻R_p提高階躍電流。如果在0時刻施加電壓V0，則按以下公式計算電流i_RSt：

圖47.具有不同串聯電感的晶閘管開通電流變化示意圖

a：最大允許區域

b：不允許工作，不限製電流上升率

c：允許工作，負載電路中具有線性串聯電感

d：允許工作，負載電路中具有串聯飽和扼流圈

7.4 減少門極電路中的幹擾脈衝(chong)

變流器會(hui) 使負載電路產(chan) 生電流和電壓的突變。這時，由於(yu) 門極引腳和觸發器電子元件上的電感或電容耦合，晶閘管的門極端子處可能出現幹擾脈衝(chong) 。因此可能意外觸發晶閘管並導致裝置中產(chan) 生運行故障。

減少耦合以避免幹擾脈衝(chong) 的常用措施包括纏繞或縮短門極引腳，甚至包括改進觸發器變壓器或觸發器電子器件的屏蔽。此外還可保護門極電路（見圖48）。

圖8.晶閘管的門極保護示例

對於(yu) 標準相控晶閘管，建議如下：

Cx=10...47nF

Rx根據tX=RxCx=10...20µs確定

Dx快速二極管

必須使用放電電阻Rx，否則電壓臨(lin) 界上升率(dv/dt)_cr等晶閘管數據可能衰減。如果緩衝(chong) 電路對控製電路造成不利影響，設計觸發器電路時必須考慮到這一點（另見 3.3.1.8）。

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