【導讀】功率二極管晶閘管廣泛應用於AC/DC變換器
，UPS，交流靜態開關，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，為此我們組織了6篇連載，包括正向特性，動態特性，控製特性

，保護以及損耗與熱特性。內容摘來自英飛淩《雙極性半導體技術信息》。

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幹擾。

7.1 過壓保護

總體而言，裝置中產生過壓的原因如下：

內部過壓——由於功率半導體的載流子存儲效應

外部過壓——由於線路上的開關過程和大氣影響，例如：

●    變壓器空載時的開關

●    感性負載時的開關

●    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。設計合適的緩衝電路時，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 單獨緩衝（RC緩衝電路）

關斷晶閘管或二極管的負載電流時，由於載流子存儲效應
，負載電流不會在過零時停止流動，而是作為反向恢複電流繼續沿反向流動（圖23）。一(yi)旦(dan)達(da)到(dao)反(fan)向(xiang)峰(feng)值(zhi)恢(hui)複(fu)電(dian)流(liu)，反(fan)向(xiang)延(yan)遲(chi)電(dian)流(liu)發(fa)生(sheng)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)的(de)陡(dou)降(jiang)，這(zhe)將(jiang)使(shi)負(fu)載(zai)回(hui)路(lu)中(zhong)的(de)電(dian)感(gan)上(shang)產(chan)生(sheng)尖(jian)峰(feng)電(dian)壓(ya)並(bing)疊(die)加(jia)到(dao)器(qi)件(jian)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)上(shang)，從(cong)而(er)可(ke)能(neng)使(shi)半(ban)導(dao)體(ti)過(guo)壓(ya)受(shou)損(sun)。

通過RC緩huan衝chong電dian路lu對dui半ban導dao體ti進jin行xing單dan獨du緩huan衝chong可ke以yi有you效xiao降jiang低di這zhe種zhong過guo壓ya。為wei了le確que保bao緩huan衝chong電dian路lu合he適shi，有you必bi要yao了le解jie最zui重zhong要yao的de影ying響xiang因yin素su，例li如ru通tong態tai電dian流liu的de電dian流liu強qiang度duiTM或iFM 和電流變化率-diT/dt或-diF/dt，半導體的反向重複峰值阻斷電壓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緩衝電路：

●    變流器供電變壓器的短路電壓uK>4%。直接與電網相連時，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.電網應用中用於單獨緩衝的RC緩衝電路

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RChuanchongdianlushifouheshi。zaizhezhongqingkuangxia，tongchangxuyaodianrongzhigengdadedianrongqihedianzuzhijingguoshidangzhongxintiaozhengdedianzuqi。anyixiagongshijisuanzuiyoulidefeizhouqixingyizhiguoyaguochengdezuijiadengxiaodianzu：

其中，R’和C’為RC串聯緩衝電路的等效值，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緩衝電路的值

LS=變流器變壓器的雜散電感（一相）

Lg=平滑扼流圈的電感

對於晶閘管，還須注意，RC緩衝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承受來自緩衝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  適用於不可控整流器

k=4*10^-6  適用於可控單脈衝和雙脈衝電路及交流控製器

k=6*10^-6  適用於可控三脈衝和六脈衝電路及三相控製器

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.用於晶閘管的擴展RC緩衝電路示例

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緩衝電路（見7.13）,

7.1.2 交流控製器的輸入緩衝

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.交流控製器的緩衝電路

顯示的是緩衝電路。

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

●    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，可被視為單向配置中的晶閘管的平均值。為了確定負載電流，可通過以下公式計算反並聯配置中單個晶閘管的ITRMS RMS值和總電路的IRMS RMS值：

對dui於yu大da功gong率lv半ban導dao體ti和he在zai大da型xing裝zhuang置zhi中zhong實shi施shi的de光guang觸chu發fa晶jing閘zha管guan
，常chang根gen據ju電dian路lu參can數shu和he所suo用yong半ban導dao體ti類lei型xing優you化hua緩huan衝chong電dian路lu。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia可ke忽hu略lve電dian壓ya上shang升sheng率lv，因yin為wei這zhe些xie晶jing閘zha管guan的de電dian壓ya臨lin界jie上shang升sheng率lv明ming顯xian比bi上shang述shu標biao準zhun高gao。

因此沒必要對緩衝電路設計作一般性建議。

圖43.交流控製器電流計算

7.1.3 用於電網換相變流器的電源緩衝電路

最zui好hao通tong過guo組zu合he式shi緩huan衝chong電dian路lu來lai抑yi製zhi來lai自zi電dian網wang的de或huo者zhe因yin變bian流liu器qi變bian壓ya器qi或huo扼e流liu圈quan開kai關guan導dao致zhi的de高gao能neng量liang過guo壓ya。對dui於yu帶dai晶jing閘zha管guan或huo二er極ji管guan的de變bian流liu器qi
，緩huan衝chong電dian路lu位wei於yu交jiao流liu側ce，並bing由you帶dai二er極ji管guan的de輔fu助zhu整zheng流liu器qi和he帶dai放fang電dian電dian阻zu的de保bao護hu電dian容rong器qi組zu成cheng。二er極ji管guan橋qiao會hui阻zu礙ai緩huan衝chong電dian路lu電dian容rong放fang電dian，所suo以yi這zhe些xie放fang電dian電dian阻zu必bi不bu可ke少shao。必bi須xu設she計ji放fang電dian電dian阻zu，使shi電dian容rong可ke以yi在zai一yi個ge周zhou期qi內nei放fang電dian。（見圖44和表4）。

圖44.可控整流器交流側的組合式緩衝電路

表4.可控三相橋交流側的組合式緩衝電路中的元件

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電路，因為組合式緩衝電路也可起到RC網絡的作用。除非是一些雙變流器電路，例如兩個三相反並聯橋。設計組合式緩衝電路時須注意以下元件：

串聯電阻R1

此(ci)元(yuan)件(jian)可(ke)防(fang)止(zhi)變(bian)流(liu)器(qi)變(bian)壓(ya)器(qi)在(zai)開(kai)關(guan)時(shi)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)的(de)振(zhen)蕩(dang)。同(tong)時(shi)，它(ta)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)輔(fu)助(zhu)整(zheng)流(liu)器(qi)中(zhong)的(de)二(er)極(ji)管(guan)限(xian)製(zhi)保(bao)護(hu)電(dian)容(rong)器(qi)在(zai)開(kai)通(tong)和(he)承(cheng)受(shou)過(guo)壓(ya)時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)放(fang)電(dian)尖(jian)峰(feng)。

保護電容器C1

當變流器變壓器或扼流圈關斷時
，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(xuan)擇(ze)輔(fu)助(zhu)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)時(shi)
，除(chu)了(le)考(kao)慮(lv)所(suo)需(xu)的(de)阻(zu)斷(duan)能(neng)力(li)，還(hai)要(yao)考(kao)慮(lv)器(qi)件(jian)可(ke)允(yun)許(xu)的(de)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)，允(yun)許(xu)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)取(qu)決(jue)於(yu)保(bao)護(hu)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)電(dian)荷(he)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)。過(guo)壓(ya)的(de)發(fa)生(sheng)時(shi)間(jian)較(jiao)短(duan)且(qie)間(jian)隔(ge)時(shi)間(jian)較(jiao)長(chang)
，所(suo)以(yi)輔(fu)助(zhu)整(zheng)流(liu)管(guan)的(de)利(li)用(yong)率(lv)較(jiao)低(di)，功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)也(ye)較(jiao)低(di)。通(tong)常(chang)無(wu)需(xu)使(shi)用(yong)散(san)熱(re)器(qi)。

7.1.4 用於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(wang)絡(luo)組(zu)成(cheng)。它(ta)們(men)適(shi)用(yong)於(yu)抑(yi)製(zhi)短(duan)期(qi)低(di)能(neng)量(liang)過(guo)壓(ya)
，因(yin)為(wei)考(kao)慮(lv)到(dao)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)，可(ke)能(neng)不(bu)會(hui)選(xuan)擇(ze)阻(zu)值(zhi)過(guo)低(di)的(de)電(dian)阻(zu)器(qi)。此(ci)外(wai)
，由(you)於(yu)會(hui)產(chan)生(sheng)損(sun)耗(hao)，電(dian)容(rong)大(da)小(xiao)會(hui)受(shou)限(xian)（見圖45）。

火花隙避雷器

可用於預計線路中會產生高能耗過壓的情況。由於其在達到觸發電壓後會延遲開通

，因此通常有必要采用額外的過壓保護措施（見圖45）。

直流緩衝器

可使用直流緩衝器抑製負載側的過壓（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wang絡luo。一yi方fang麵mian應ying記ji住zhu，壓ya敏min電dian阻zu通tong常chang不bu適shi合he限xian製zhi重zhong複fu過guo壓ya，因yin為wei它ta們men在zai重zhong複fu過guo壓ya情qing況kuang下xia會hui導dao致zhi熱re穩wen定ding性xing變bian差cha並bing嚴yan重zhong老lao化hua。另ling一yi方fang應ying注zhu意yi
，不bu得de使shi用yong規gui格ge不bu合he適shi的de壓ya敏min電dian阻zu
，否fou則ze將jiang妨fang礙ai高gao能neng量liang過guo壓ya保bao護hu裝zhuang置zhi（通常為火花隙避雷器）發揮作用。

圖45.用於高能量過壓保護的其它選擇

7.2 過流保護

晶jing閘zha管guan和he二er極ji管guan可ke以yi承cheng載zai較jiao大da工gong作zuo電dian流liu
，但dan也ye可ke能neng由you於yu過guo流liu而er損sun壞huai，因yin此ci需xu要yao采cai取qu合he適shi的de保bao護hu措cuo施shi。根gen據ju過guo流liu類lei型xing選xuan擇ze合he適shi的de保bao護hu裝zhuang置zhi。通tong常chang區qu分fen為wei短duan期qi保bao護hu和he長chang期qi保bao護hu。

7.2.1 用超快半導體熔斷器實現短期保護

使(shi)用(yong)具(ju)有(you)超(chao)快(kuai)開(kai)路(lu)特(te)性(xing)的(de)特(te)殊(shu)半(ban)導(dao)體(ti)保(bao)護(hu)熔(rong)斷(duan)器(qi)實(shi)現(xian)短(duan)期(qi)保(bao)護(hu)，通(tong)過(guo)短(duan)期(qi)保(bao)護(hu)將(jiang)短(duan)路(lu)產(chan)生(sheng)的(de)過(guo)流(liu)限(xian)製(zhi)到(dao)某(mou)個(ge)值(zhi)
，該(gai)值(zhi)可(ke)使(shi)晶(jing)閘(zha)管(guan)或(huo)二(er)極(ji)管(guan)在(zai)長(chang)達(da)一(yi)個(ge)正(zheng)弦(xian)半(ban)波(bo)的(de)時(shi)間(jian)範(fan)圍(wei)內(nei)不(bu)會(hui)麵(mian)臨(lin)受(shou)損(sun)風(feng)險(xian)。在(zai)最(zui)糟(zao)糕(gao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，它(ta)們(men)在(zai)關(guan)斷(duan)時(shi)可(ke)達(da)到(dao)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)中(zhong)針(zhen)對(dui)具(ju)體(ti)類(lei)型(xing)規(gui)定(ding)的(de)∫i²dt 值。

半導體承受∫i²dtzhishiwanquanhuobufenshiquqiduantaihezuduannengli，zhidaojiewenxiajiangzhichixugongzuosuoyunxudezhi。shumiaohouzhezhongyinglikenengzhongfuchuxian，zaibianliuqidezhenggegongzuoshijiannei

，zhezhongyinglizhihuisuiyouxianshumudemaichongfasheng（另見3.1.16）。

7.2.1.1 熔斷器選型

可將熔斷器置於一相或支路（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dan是shi對dui於yu具ju有you反fan電dian動dong勢shi的de負fu載zai可ke能neng產chan生sheng的de反fan饋kui，必bi須xu在zai變bian流liu器qi輸shu出chu端duan另ling外wai采cai用yong熔rong斷duan器qi
，因yin為wei從cong負fu載zai反fan饋kui到dao直zhi流liu母mu線xian的de短duan路lu電dian流liu不bu一yi定ding會hui流liu過guo相xiang熔rong斷duan器qi。

對於一些載流能力高的晶閘管或二極管，有必要並聯兩個熔斷器。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驅動短路電流的電壓。

驅動短路電流的電壓

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。

重複電壓V_RMS

此電壓等於用驅動短路電流的電壓V_KRMS除以位於短路路徑中的串聯熔斷器的個數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，熔斷器產生起弧電壓（此電壓與熔斷器結構有關）和重複電壓。這些電壓的峰值不得超過半導體浪湧峰值電壓，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，並且會因偏離電流波形而高於或低於額定值。熔斷器標稱電流應稍高於預期的相或支路電流。

∫i²t關斷值

該值是熔斷積分和電弧積分之和，因此必須低於晶閘管的∫i²dt值。

圖46.超快熔斷器的關斷特性

表5.分支（臂）電流和相電流的計算

短路電流增大過程中
，熔斷體首先熔斷。然後覆蓋填料——通常為石英砂——熄滅由此產生的電弧。這些熔斷器在3至5ms內熔斷（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

短路時可在幾毫秒內實現電動觸發。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）

這種電路最常用於帶關斷元件(IGBT、GTO、IGCT)的(de)電(dian)壓(ya)源(yuan)逆(ni)變(bian)器(qi)。一(yi)旦(dan)直(zhi)流(liu)總(zong)線(xian)電(dian)壓(ya)超(chao)過(guo)規(gui)定(ding)的(de)保(bao)護(hu)電(dian)平(ping)，撬(qiao)棍(gun)電(dian)路(lu)觸(chu)發(fa)且(qie)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)電(dian)容(rong)放(fang)電(dian)。當(dang)脈(mai)衝(chong)電(dian)流(liu)使(shi)極(ji)性(xing)反(fan)轉(zhuan)時(shi)，通(tong)過(guo)特(te)殊(shu)二(er)極(ji)管(guan)或(huo)逆(ni)變(bian)器(qi)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)饋(kui)電(dian)。

7.2.2.3 電網側斷路器

半導體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半波後發生。

7.2.2.4 阻斷觸發脈衝

超(chao)過(guo)規(gui)定(ding)電(dian)平(ping)時(shi)
，晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)觸(chu)發(fa)脈(mai)衝(chong)被(bei)抑(yi)製(zhi)。然(ran)後(hou)晶(jing)閘(zha)管(guan)先(xian)後(hou)承(cheng)受(shou)電(dian)流(liu)半(ban)波(bo)和(he)反(fan)向(xiang)斷(duan)態(tai)電(dian)壓(ya)和(he)正(zheng)向(xiang)斷(duan)態(tai)電(dian)壓(ya)。這(zhe)要(yao)求(qiu)此(ci)半(ban)導(dao)體(ti)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)強(qiang)的(de)阻(zu)斷(duan)能(neng)力(li)。

7.2.3 長期保護

ketongguoheshidereheciguoliubaohufangfahuorongduanqishixianchangqibaohu。zhexiebaohuzhuangzhideguanduantexingyingdiyuduanshigongzuozhongdeguoya。jingzhaguanhuoerjiguandezuduannenglijiangbaochibubian。yincitongguozuduanchufamaichongyekeyishixianduijingzhaguandechangqibaohu。ruguobuxuyaozuidazuduannengli
，kegenjuzhangjie3.1.14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

變(bian)流(liu)器(qi)會(hui)使(shi)負(fu)載(zai)電(dian)路(lu)產(chan)生(sheng)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)壓(ya)的(de)突(tu)變(bian)。這(zhe)時(shi)，由(you)於(yu)門(men)極(ji)引(yin)腳(jiao)和(he)觸(chu)發(fa)器(qi)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)上(shang)的(de)電(dian)感(gan)或(huo)電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)，晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)門(men)極(ji)端(duan)子(zi)處(chu)可(ke)能(neng)出(chu)現(xian)幹(gan)擾(rao)脈(mai)衝(chong)。因(yin)此(ci)可(ke)能(neng)意(yi)外(wai)觸(chu)發(fa)晶(jing)閘(zha)管(guan)並(bing)導(dao)致(zhi)裝(zhuang)置(zhi)中(zhong)產(chan)生(sheng)運(yun)行(xing)故(gu)障(zhang)。

jianshaoouheyibimianganraomaichongdechangyongcuoshibaokuochanraohuosuoduanmenjiyinjiao，shenzhibaokuogaijinchufaqibianyaqihuochufaqidianziqijiandepingbi。ciwaihaikebaohumenjidianlu（見圖48）。

圖8.晶閘管的門極保護示例

對於標準相控晶閘管
，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。如果緩衝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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