【導(dǎo)讀】功率二極管晶閘管廣泛應(yīng)用于AC/DC變換器，UPS，交流靜態(tài)開關(guān)，SVC和電解氫等場(chǎng)合，但大多數(shù)工程師對(duì)這類雙極性器件的了解不及對(duì)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(hù)以及損耗與熱特性。內(nèi)容摘來自英飛凌《雙極性半導(dǎo)體技術(shù)信息》。
7.保護(hù)
晶閘管和二極管必須得到可靠的保護(hù)，避免電流和電壓過高以及控制電路中的脈沖干擾。
7.1 過壓保護(hù)
總體而言，裝置中產(chǎn)生過壓的原因如下：
內(nèi)部過壓——由于功率半導(dǎo)體的載流子存儲(chǔ)效應(yīng)
外部過壓——由于線路上的開關(guān)過程和大氣影響，例如：
● 變壓器空載時(shí)的開關(guān)
● 感性負(fù)載時(shí)的開關(guān)
● 熔斷器熔斷瞬間
● 遭受雷擊
晶閘管和二極管可能因數(shù)微秒的過壓而被破壞，因此需要特別注意其過壓保護(hù)。設(shè)計(jì)合適的緩沖電路時(shí)，須考慮阻斷能力(VDRM,VRRM)和電壓臨界上升率(dv/dt)cr。
7.1.1 單獨(dú)緩沖（RC緩沖電路）
關(guān)斷晶閘管或二極管的負(fù)載電流時(shí)，由于載流子存儲(chǔ)效應(yīng)，負(fù)載電流不會(huì)在過零時(shí)停止流動(dòng)，而是作為反向恢復(fù)電流繼續(xù)沿反向流動(dòng)（圖23）。一旦達(dá)到反向峰值恢復(fù)電流，反向延遲電流發(fā)生一定程度的陡降，這將使負(fù)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(dǎo)體過壓受損。
通過RC緩沖電路對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行單獨(dú)緩沖可以有效降低這種過壓。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(qiáng)度iTM或iFM 和電流變化率-diT/dt或-diF/dt，半導(dǎo)體的反向重復(fù)峰值阻斷電壓VRRM，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(yīng)調(diào)整扼流圈的規(guī)格。
● 重復(fù)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(yīng)用中用于單獨(dú)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(yīng)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)過適當(dāng)重新調(diào)整的電阻器。按以下公式計(jì)算最有利的非周期性抑制過壓過程的最佳等效電阻：
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(duì)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通過程中不會(huì)承受來自緩沖電路的過高放電電流（另見3.4.1.2.3）。
按以下公式計(jì)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(yīng)確保在公式中使用具有以下單位的值：
PR[W]
Vr[V]
C[μF]
f[Hz]
如有要求，可按照?qǐng)D41修改緩沖電路，以減小過壓，進(jìn)而減小晶閘管在開通過程中承受的應(yīng)力。
圖41.用于晶閘管的擴(kuò)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組合來抑制開通電流
c–采用RCD組合來抑制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(dá)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(yīng)相位角<30°el(cos9> 0.866)。這樣可確保抑制緩沖電路中可能出現(xiàn)的電容和電感串聯(lián)所導(dǎo)致的振蕩。
● 晶閘管的重復(fù)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）。
● 晶閘管的電壓臨界上升率(dv/dt)cr>500V/μs。
注意：表2中規(guī)定的通態(tài)電流ITAV足夠準(zhǔn)確，可被視為單向配置中的晶閘管的平均值。為了確定負(fù)載電流，可通過以下公式計(jì)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(duì)于大功率半導(dǎo)體和在大型裝置中實(shí)施的光觸發(fā)晶閘管，常根據(jù)電路參數(shù)和所用半導(dǎo)體類型優(yōu)化緩沖電路。在這種情況下可忽略電壓上升率，因?yàn)檫@些晶閘管的電壓臨界上升率明顯比上述標(biāo)準(zhǔn)高。
因此沒必要對(duì)緩沖電路設(shè)計(jì)作一般性建議。
圖43.交流控制器電流計(jì)算
7.1.3 用于電網(wǎng)換相變流器的電源緩沖電路
最好通過組合式緩沖電路來抑制來自電網(wǎng)的或者因變流器變壓器或扼流圈開關(guān)導(dǎo)致的高能量過壓。對(duì)于帶晶閘管或二極管的變流器，緩沖電路位于交流側(cè)，并由帶二極管的輔助整流器和帶放電電阻的保護(hù)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(shè)計(jì)放電電阻，使電容可以在一個(gè)周期內(nèi)放電。（見圖44和表4）。
圖44.可控整流器交流側(cè)的組合式緩沖電路
表4.可控三相橋交流側(cè)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必要另外采用單獨(dú)緩沖電路，因?yàn)榻M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(shè)計(jì)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關(guān)時(shí)可能造成的振蕩。同時(shí)，它可以通過輔助整流器中的二極管限制保護(hù)電容器在開通和承受過壓時(shí)產(chǎn)生的放電尖峰。
保護(hù)電容器C1
當(dāng)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，以免電壓超過需保護(hù)的晶閘管或二極管的最高允許重復(fù)峰值斷態(tài)電壓；開關(guān)電弧損耗除外。
放電電阻R2
當(dāng)連續(xù)過壓能量的放電時(shí)間常數(shù)R2·C=80ms時(shí)，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(hù)電容器的電荷浪涌電流。過壓的發(fā)生時(shí)間較短且間隔時(shí)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 用于高能量過壓保護(hù)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壓，因?yàn)榭紤]到電容器的放電電流，可能不會(huì)選擇阻值過低的電阻器。此外，由于會(huì)產(chǎn)生損耗，電容大小會(huì)受限（見圖45）。
火花隙避雷器
可用于預(yù)計(jì)線路中會(huì)產(chǎn)生高能耗過壓的情況。由于其在達(dá)到觸發(fā)電壓后會(huì)延遲開通，因此通常有必要采用額外的過壓保護(hù)措施（見圖45）。
直流緩沖器
可使用直流緩沖器抑制負(fù)載側(cè)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(wǎng)絡(luò)。一方面應(yīng)記住，壓敏電阻通常不適合限制重復(fù)過壓，因?yàn)樗鼈冊(cè)谥貜?fù)過壓情況下會(huì)導(dǎo)致熱穩(wěn)定性變差并嚴(yán)重老化。另一方應(yīng)注意，不得使用規(guī)格不合適的壓敏電阻，否則將妨礙高能量過壓保護(hù)裝置（通常為火花隙避雷器）發(fā)揮作用。
圖45.用于高能量過壓保護(hù)的其它選擇
7.2 過流保護(hù)
晶閘管和二極管可以承載較大工作電流，但也可能由于過流而損壞，因此需要采取合適的保護(hù)措施。根據(jù)過流類型選擇合適的保護(hù)裝置。通常區(qū)分為短期保護(hù)和長期保護(hù)。
7.2.1 用超快半導(dǎo)體熔斷器實(shí)現(xiàn)短期保護(hù)
使用具有超快開路特性的特殊半導(dǎo)體保護(hù)熔斷器實(shí)現(xiàn)短期保護(hù)，通過短期保護(hù)將短路產(chǎn)生的過流限制到某個(gè)值，該值可使晶閘管或二極管在長達(dá)一個(gè)正弦半波的時(shí)間范圍內(nèi)不會(huì)面臨受損風(fēng)險(xiǎn)。在最糟糕的情況下，它們?cè)陉P(guān)斷時(shí)可達(dá)到數(shù)據(jù)手冊(cè)中針對(duì)具體類型規(guī)定的∫i2dt 值。
半導(dǎo)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(jié)溫下降至持續(xù)工作所允許的值。數(shù)秒后這種應(yīng)力可能重復(fù)出現(xiàn)，在變流器的整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)，這種應(yīng)力只會(huì)隨有限數(shù)目的脈沖發(fā)生（另見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(xiàn)最安全的短期保護(hù)，并允許晶閘管或二極管的最大電流負(fù)載。采用相熔斷器可降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。
但是對(duì)于具有反電動(dòng)勢(shì)的負(fù)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?yàn)閺呢?fù)載反饋到直流母線的短路電流不一定會(huì)流過相熔斷器。
對(duì)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(qū)動(dòng)短路電流的電壓。
驅(qū)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(fù)電壓VRMS
此電壓等于用驅(qū)動(dòng)短路電流的電壓VKRMS除以位于短路路徑中的串聯(lián)熔斷器的個(gè)數(shù)N再乘以安全系數(shù)Fs=1.3 所得的結(jié)果。以下公式適用：
例如在B2和B6電路中，VRMS=1/2*1.3*VKRMS= 0.65*VKRMS
熔斷器起弧電壓
在滅弧過程中，熔斷器產(chǎn)生起弧電壓（此電壓與熔斷器結(jié)構(gòu)有關(guān)）和重復(fù)電壓。這些電壓的峰值不得超過半導(dǎo)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(biāo)稱電流額定值
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(biāo)稱電流應(yīng)稍高于預(yù)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(jì)算
短路電流增大過程中，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(nèi)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(jì)算出分支電流或相電流的RMS值。
這些因子適用于電阻性負(fù)載和零延遲輸出。
7.2.2 更多保護(hù)設(shè)計(jì)：大功率半導(dǎo)體的短期保護(hù)
7.2.2.1 高速直流斷路器
短路時(shí)可在幾毫秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)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。一旦直流總線電壓超過規(guī)定的保護(hù)電平，撬棍電路觸發(fā)且直流母線電容放電。當(dāng)脈沖電流使極性反轉(zhuǎn)時(shí)，通過特殊二極管或逆變器電路中的續(xù)流二極管饋電。
7.2.2.3 電網(wǎng)側(cè)斷路器
半導(dǎo)體必須承載短路電流直到斷路器斷開電網(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
超過規(guī)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(dǎo)體具有足夠強(qiáng)的阻斷能力。
7.2.3 長期保護(hù)
可通過合適的熱和磁過流保護(hù)方法或熔斷器實(shí)現(xiàn)長期保護(hù)。這些保護(hù)裝置的關(guān)斷特性應(yīng)低于短時(shí)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(fā)脈沖也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的長期保護(hù)。如果不需要最大阻斷能力，可根據(jù)章節(jié)3.1.14所述的最高過載通態(tài)電流特性確定中斷特性。
7.2.4 滿載額定保護(hù)
這種保護(hù)由長期保護(hù)和短期保護(hù)組成，實(shí)際上僅通過組合使用幾種保護(hù)措施即可實(shí)現(xiàn)。
7.3 通過負(fù)載電路中的電感器限制動(dòng)態(tài)電流
如果負(fù)載電路中的電感較低，開通晶閘管時(shí)，電流上升率可能過高。為了避免損壞，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(duì)于線性電感，擴(kuò)散觸發(fā)的硅片區(qū)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(dāng)硅片的較大部分已處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過階躍時(shí)間tst（見圖47）后將出現(xiàn)較高電流上升率。在階躍時(shí)間開始時(shí)，階躍電流iTSt（見圖47）應(yīng)大致等于重復(fù)開通電流IT(RC)M（見3.4.1.2.3）。
如果階躍電流更低，可通過與扼流圈并聯(lián)的電阻Rp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(jì)算電流iRSt：
圖47.具有不同串聯(lián)電感的晶閘管開通電流變化示意圖
a：最大允許區(qū)域
b：不允許工作，不限制電流上升率
c：允許工作，負(fù)載電路中具有線性串聯(lián)電感
d：允許工作，負(fù)載電路中具有串聯(lián)飽和扼流圈
7.4 減少門極電路中的干擾脈沖
變流器會(huì)使負(fù)載電路產(chǎn)生電流和電壓的突變。這時(shí)，由于門極引腳和觸發(fā)器電子元件上的電感或電容耦合，晶閘管的門極端子處可能出現(xiàn)干擾脈沖。因此可能意外觸發(fā)晶閘管并導(dǎo)致裝置中產(chǎn)生運(yùn)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(hù)門極電路（見圖48）。
圖8.晶閘管的門極保護(hù)示例
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)相控晶閘管，建議如下：
Cx=10...47nF
Rx根據(jù)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(shù)據(jù)可能衰減。如果緩沖電路對(duì)控制電路造成不利影響，設(shè)計(jì)觸發(fā)器電路時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)（另見 3.3.1.8）。
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