【導讀】功率二極管晶閘管廣泛應用于A(yíng)C/DC變換器，UPS，交流靜態(tài)開(kāi)關(guān)，SVC和電解氫等場(chǎng)合，但大多數工程師對這類(lèi)雙極性器件的了解不及對IGBT的了解，為此我們組織了6篇連載，包括正向特性，動(dòng)態(tài)特性，控制特性，保護以及損耗與熱特性。內容摘來(lái)自英飛凌《雙極性半導體技術(shù)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(guò)高以及控制電路中的脈沖干擾。

7.1 過(guò)壓保護

總體而言，裝置中產(chǎn)生過(guò)壓的原因如下：

內部過(guò)壓——由于功率半導體的載流子存儲效應

外部過(guò)壓——由于線(xiàn)路上的開(kāi)關(guān)過(guò)程和大氣影響，例如：

●    變壓器空載時(shí)的開(kāi)關(guān)

●    感性負載時(shí)的開(kāi)關(guān)

●    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(guò)壓而被破壞，因此需要特別注意其過(guò)壓保護。設計合適的緩沖電路時(shí)，須考慮阻斷能力(V_DRM,V_RRM)和電壓臨界上升率(dv/dt)_cr。

7.1.1 單獨緩沖（RC緩沖電路）

關(guān)斷晶閘管或二極管的負載電流時(shí)，由于載流子存儲效應，負載電流不會(huì )在過(guò)零時(shí)停止流動(dòng)，而是作為反向恢復電流繼續沿反向流動(dòng)（圖23）。一旦達到反向峰值恢復電流，反向延遲電流發(fā)生一定程度的陡降，這將使負載回路中的電感上產(chǎn)生尖峰電壓并疊加到器件兩端的電壓上，從而可能使半導體過(guò)壓受損。

通過(guò)RC緩沖電路對半導體進(jìn)行單獨緩沖可以有效降低這種過(guò)壓。為了確保緩沖電路合適，有必要了解最重要的影響因素，例如通態(tài)電流的電流強度iTM或iFM 和電流變化率-diT/dt或-diF/dt，半導體的反向重復峰值阻斷電壓V_RRM，晶閘管的電壓臨界變化率(dv/dt)_cr。在電網(wǎng)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緩沖電路：

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

●    重復峰值斷態(tài)電壓和電源電壓峰值之間比值的安全裕量 >2.2

表2.電網(wǎng)應用中用于單獨緩沖的RC緩沖電路

尤其是在通態(tài)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緩沖電路是否合適。在這種情況下，通常需要電容值更大的電容器和電阻值經(jīng)過(guò)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制過(guò)壓過(guò)程的最佳等效電阻：

其中，R’和C’為RC串聯(lián)緩沖電路的等效值，L’為變流器電感的等效值。

表3.變流器電路的等效值

R,C=RC緩沖電路的值

LS=變流器變壓器的雜散電感（一相）

Lg=平滑扼流圈的電感

對于晶閘管，還須注意，RC緩沖電路的電阻值必須為

其目的是使晶閘管在開(kāi)通過(guò)程中不會(huì )承受來(lái)自緩沖電路的過(guò)高放電電流（另見(jiàn)3.4.1.2.3）。

按以下公式計算電阻器的耗散功率:

k=2*10^-6  適用于不可控整流器

k=4*10^-6  適用于可控單脈沖和雙脈沖電路及交流控制器

k=6*10^-6  適用于可控三脈沖和六脈沖電路及三相控制器

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修改緩沖電路，以減小過(guò)壓，進(jìn)而減小晶閘管在開(kāi)通過(guò)程中承受的應力。

圖41.用于晶閘管的擴展RC緩沖電路示例

a–采用雙極型電壓浪涌抑制器

b–采用RCD組合來(lái)抑制開(kāi)通電流

c–采用RCD組合來(lái)抑制dv/dt和正向斷態(tài)電壓

注意：Do=快速二極管，尤其是在開(kāi)通情況下

存在變壓器緩沖時(shí)，只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緩沖電路（見(jiàn)7.13）,

7.1.2 交流控制器的輸入緩沖

在交流控制器和三相控制器中，在反并聯(lián)配置中使用的晶閘管可用于相控制以及例如軟啟動(dòng)器中的全波工況。圖42

圖42.交流控制器的緩沖電路

顯示的是緩沖電路。

表2中的RC串聯(lián)緩沖電路建議值適用于在正常工作條件和以下情況下的晶閘管的緩沖：

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

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

●    晶閘管的電壓臨界上升率(dv/dt)_cr>500V/μs。

注意：表2中規定的通態(tài)電流ITAV足夠準確，可被視為單向配置中的晶閘管的平均值。為了確定負載電流，可通過(guò)以下公式計算反并聯(lián)配置中單個(gè)晶閘管的ITRMS RMS值和總電路的IRMS RMS值：

對于大功率半導體和在大型裝置中實(shí)施的光觸發(fā)晶閘管，常根據電路參數和所用半導體類(lèi)型優(yōu)化緩沖電路。在這種情況下可忽略電壓上升率，因為這些晶閘管的電壓臨界上升率明顯比上述標準高。

因此沒(méi)必要對緩沖電路設計作一般性建議。

圖43.交流控制器電流計算

7.1.3 用于電網(wǎng)換相變流器的電源緩沖電路

最好通過(guò)組合式緩沖電路來(lái)抑制來(lái)自電網(wǎng)的或者因變流器變壓器或扼流圈開(kāi)關(guān)導致的高能量過(guò)壓。對于帶晶閘管或二極管的變流器，緩沖電路位于交流側，并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(huì )阻礙緩沖電路電容放電，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(gè)周期內放電。（見(jiàn)圖44和表4）。

圖44.可控整流器交流側的組合式緩沖電路

表4.可控三相橋交流側的組合式緩沖電路中的元件

變流器和輔助整流器中的所有晶閘管和二極管通常沒(méi)必要另外采用單獨緩沖電路，因為組合式緩沖電路也可起到RC網(wǎng)絡(luò )的作用。除非是一些雙變流器電路，例如兩個(gè)三相反并聯(lián)橋。設計組合式緩沖電路時(shí)須注意以下元件：

串聯(lián)電阻R1

此元件可防止變流器變壓器在開(kāi)關(guān)時(shí)可能造成的振蕩。同時(shí)，它可以通過(guò)輔助整流器中的二極管限制保護電容器在開(kāi)通和承受過(guò)壓時(shí)產(chǎn)生的放電尖峰。

保護電容器C1

當變流器變壓器或扼流圈關(guān)斷時(shí)，此元件必須吸收積累的能量，以免電壓超過(guò)需保護的晶閘管或二極管的最高允許重復峰值斷態(tài)電壓；開(kāi)關(guān)電弧損耗除外。

放電電阻R2

當連續過(guò)壓能量的放電時(shí)間常數R₂·C=80ms時(shí)，根據實(shí)際經(jīng)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(shí)，除了考慮所需的阻斷能力，還要考慮器件可允許的浪涌電流，允許浪涌電流取決于保護電容器的電荷浪涌電流。過(guò)壓的發(fā)生時(shí)間較短且間隔時(shí)間較長(cháng)，所以輔助整流管的利用率較低，功率耗散也較低。通常無(wú)需使用散熱器。

7.1.4 用于高能量過(guò)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(diǎn)接地的RC網(wǎng)絡(luò )組成。它們適用于抑制短期低能量過(guò)壓，因為考慮到電容器的放電電流，可能不會(huì )選擇阻值過(guò)低的電阻器。此外，由于會(huì )產(chǎn)生損耗，電容大小會(huì )受限（見(jiàn)圖45）。

火花隙避雷器

可用于預計線(xiàn)路中會(huì )產(chǎn)生高能耗過(guò)壓的情況。由于其在達到觸發(fā)電壓后會(huì )延遲開(kāi)通，因此通常有必要采用額外的過(guò)壓保護措施（見(jiàn)圖45）。

直流緩沖器

可使用直流緩沖器抑制負載側的過(guò)壓（見(jiàn)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(wǎng)絡(luò )。一方面應記住，壓敏電阻通常不適合限制重復過(guò)壓，因為它們在重復過(guò)壓情況下會(huì )導致熱穩定性變差并嚴重老化。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(guò)壓保護裝置（通常為火花隙避雷器）發(fā)揮作用。

圖45.用于高能量過(guò)壓保護的其它選擇

7.2 過(guò)流保護

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

7.2.1 用超快半導體熔斷器實(shí)現短期保護

使用具有超快開(kāi)路特性的特殊半導體保護熔斷器實(shí)現短期保護，通過(guò)短期保護將短路產(chǎn)生的過(guò)流限制到某個(gè)值，該值可使晶閘管或二極管在長(cháng)達一個(gè)正弦半波的時(shí)間范圍內不會(huì )面臨受損風(fēng)險。在最糟糕的情況下，它們在關(guān)斷時(shí)可達到數據手冊中針對具體類(lèi)型規定的∫i2dt 值。

半導體承受∫i2dt值時(shí)完全或部分失去其斷態(tài)和阻斷能力，直到結溫下降至持續工作所允許的值。數秒后這種應力可能重復出現，在變流器的整個(gè)工作時(shí)間內，這種應力只會(huì )隨有限數目的脈沖發(fā)生（另見(jiàn)3.1.16）。

7.2.1.1 熔斷器選型

可將熔斷器置于一相或支路（橋臂）中。支路熔斷器可實(shí)現最安全的短期保護，并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復雜性。

但是對于具有反電動(dòng)勢的負載可能產(chǎn)生的反饋，必須在變流器輸出端另外采用熔斷器，因為從負載反饋到直流母線(xiàn)的短路電流不一定會(huì )流過(guò)相熔斷器。

對于一些載流能力高的晶閘管或二極管，有必要并聯(lián)兩個(gè)熔斷器。選擇熔斷器時(shí)需考慮以下值：

熔斷器額定電壓

熔斷器額定電壓必須高于驅動(dòng)短路電流的電壓。

驅動(dòng)短路電流的電壓

此電壓通常與電源電壓相等；僅在交流變流器工作的情況下，此電壓為電源電壓的1.8倍。

重復電壓V_RMS

此電壓等于用驅動(dòng)短路電流的電壓V_KRMS除以位于短路路徑中的串聯(lián)熔斷器的個(gè)數N再乘以安全系數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(guò)程中，熔斷器產(chǎn)生起弧電壓（此電壓與熔斷器結構有關(guān)）和重復電壓。這些電壓的峰值不得超過(guò)半導體浪涌峰值電壓，以防損害電路中的任何反向偏置元件。

熔斷器標稱(chēng)電流額定值

該值通常指的是正弦波交流電流，并且會(huì )因偏離電流波形而高于或低于額定值。熔斷器標稱(chēng)電流應稍高于預期的相或支路電流。

∫i2t關(guān)斷值

該值是熔斷積分和電弧積分之和，因此必須低于晶閘管的∫i2dt值。

圖46.超快熔斷器的關(guān)斷特性

表5.分支（臂）電流和相電流的計算

短路電流增大過(guò)程中，熔斷體首先熔斷。然后覆蓋填料——通常為石英砂——熄滅由此產(chǎn)生的電弧。這些熔斷器在3至5ms內熔斷（見(jiàn)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。

這些因子適用于電阻性負載和零延遲輸出。

7.2.2 更多保護設計：大功率半導體的短期保護

7.2.2.1 高速直流斷路器

短路時(shí)可在幾毫秒內實(shí)現電動(dòng)觸發(fā)。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）

這種電路最常用于帶關(guān)斷元件(IGBT、GTO、IGCT)的電壓源逆變器。一旦直流總線(xiàn)電壓超過(guò)規定的保護電平，撬棍電路觸發(fā)且直流母線(xiàn)電容放電。當脈沖電流使極性反轉時(shí)，通過(guò)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(wǎng)側斷路器

半導體必須承載短路電流直到斷路器斷開(kāi)電網(wǎng)連接。在大型裝置中，這種情況在三至五個(gè)半波后發(fā)生。

7.2.2.4 阻斷觸發(fā)脈沖

超過(guò)規定電平時(shí)，晶閘管的觸發(fā)脈沖被抑制。然后晶閘管先后承受電流半波和反向斷態(tài)電壓和正向斷態(tài)電壓。這要求此半導體具有足夠強的阻斷能力。

7.2.3 長(cháng)期保護

可通過(guò)合適的熱和磁過(guò)流保護方法或熔斷器實(shí)現長(cháng)期保護。這些保護裝置的關(guān)斷特性應低于短時(shí)工作中的過(guò)壓。晶閘管或二極管的阻斷能力將保持不變。因此通過(guò)阻斷觸發(fā)脈沖也可以實(shí)現對晶閘管的長(cháng)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(guò)載通態(tài)電流特性確定中斷特性。

7.2.4 滿(mǎn)載額定保護

這種保護由長(cháng)期保護和短期保護組成，實(shí)際上僅通過(guò)組合使用幾種保護措施即可實(shí)現。

7.3 通過(guò)負載電路中的電感器限制動(dòng)態(tài)電流

如果負載電路中的電感較低，開(kāi)通晶閘管時(shí)，電流上升率可能過(guò)高。為了避免損壞，有必要插入額外電感 LZ，此電感器可使開(kāi)通電流的上升率減?。ㄒ?jiàn)圖 47）。這種方法還可降低開(kāi)通損耗。

對于線(xiàn)性電感，擴散觸發(fā)的硅片區域中的電流密度在電流上升過(guò)程中減小。

在飽和扼流圈中，當硅片的較大部分已處于導通狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過(guò)階躍時(shí)間t_st（見(jiàn)圖47）后將出現較高電流上升率。在階躍時(shí)間開(kāi)始時(shí)，階躍電流i_TSt（見(jiàn)圖47）應大致等于重復開(kāi)通電流I_T(RC)M（見(jiàn)3.4.1.2.3）。

如果階躍電流更低，可通過(guò)與扼流圈并聯(lián)的電阻R_p提高階躍電流。如果在0時(shí)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(lián)電感的晶閘管開(kāi)通電流變化示意圖

a：最大允許區域

b：不允許工作，不限制電流上升率

c：允許工作，負載電路中具有線(xiàn)性串聯(lián)電感

d：允許工作，負載電路中具有串聯(lián)飽和扼流圈

7.4 減少門(mén)極電路中的干擾脈沖

變流器會(huì )使負載電路產(chǎn)生電流和電壓的突變。這時(shí)，由于門(mén)極引腳和觸發(fā)器電子元件上的電感或電容耦合，晶閘管的門(mén)極端子處可能出現干擾脈沖。因此可能意外觸發(fā)晶閘管并導致裝置中產(chǎn)生運行故障。

減少耦合以避免干擾脈沖的常用措施包括纏繞或縮短門(mén)極引腳，甚至包括改進(jìn)觸發(fā)器變壓器或觸發(fā)器電子器件的屏蔽。此外還可保護門(mén)極電路（見(jiàn)圖48）。

圖8.晶閘管的門(mén)極保護示例

對于標準相控晶閘管，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，否則電壓臨界上升率(dv/dt)_cr等晶閘管數據可能衰減。如果緩沖電路對控制電路造成不利影響，設計觸發(fā)器電路時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)（另見(jiàn) 3.3.1.8）。

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