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大功率二极管晶闸管知识连载——保护
发布时间:2021-11-24 阅读量:201 来源: 英飞凌 作者: Infineon Bipolar

【导读】功率二极管晶闸管广泛应用于AC/DC变换器,UPS,交流静态开关,SVC和电解氢等场合,但大多数工程师对这类双极性器件的了解不及对IGBT的了解,为此我们组织了6篇连载,包括正向特性,动态特性,控制特性,保护以及损耗与热特性。内容摘来自英飞凌《双极性半导体技术信息》。


7.保护


晶闸管和二极管必须得到可靠的保护,避免电流和电压过高以及控制电路中的脉冲干扰。


7.1 过压保护


总体而言,装置中产生过压的原因如下:


内部过压——由于功率半导体的载流子存储效应


外部过压——由于线路上的开关过程和大气影响,例如:


●    变压器空载时的开关

●    感性负载时的开关

●    熔断器熔断瞬间

●    遭受雷击


晶闸管和二极管可能因数微秒的过压而被破坏,因此需要特别注意其过压保护。设计合适的缓冲电路时,须考虑阻断能力(VDRM,VRRM)和电压临界上升率(dv/dt)cr


7.1.1 单独缓冲(RC缓冲电路)


关断晶闸管或二极管的负载电流时,由于载流子存储效应,负载电流不会在过零时停止流动,而是作为反向恢复电流继续沿反向流动(图23)。一旦达到反向峰值恢复电流,反向延迟电流发生一定程度的陡降,这将使负载回路中的电感上产生尖峰电压并叠加到器件两端的电压上,从而可能使半导体过压受损。


通过RC缓冲电路对半导体进行单独缓冲可以有效降低这种过压。为了确保缓冲电路合适,有必要了解最重要的影响因素,例如通态电流的电流强度iTM或iFM 和电流变化率-diT/dt或-diF/dt,半导体的反向重复峰值阻断电压VRRM,晶闸管的电压临界变化率(dv/dt)cr。在电网换相变流器中,可在以下条件下,在表2所示的正常工作条件下使用晶闸管和二极管RC缓冲电路:


●    变流器供电变压器的短路电压uK>4%。直接与电网相连时,必须相应调整扼流圈的规格。

●    重复峰值断态电压和电源电压峰值之间比值的安全裕量 >2.2


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表2.电网应用中用于单独缓冲的RC缓冲电路


尤其是在通态电流变化率高或阻断能力安全裕量低的情况下,应检查上述建议RC缓冲电路是否合适。在这种情况下,通常需要电容值更大的电容器和电阻值经过适当重新调整的电阻器。按以下公式计算最有利的非周期性抑制过压过程的最佳等效电阻:


3.png


其中,R’和C’为RC串联缓冲电路的等效值,L’为变流器电感的等效值。


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表3.变流器电路的等效值


R,C=RC缓冲电路的值

LS=变流器变压器的杂散电感(一相)

Lg=平滑扼流圈的电感


对于晶闸管,还须注意,RC缓冲电路的电阻值必须为


5.jpg


其目的是使晶闸管在开通过程中不会承受来自缓冲电路的过高放电电流(另见3.4.1.2.3)。


按以下公式计算电阻器的耗散功率:


6.png


k=2*10-6  适用于不可控整流器

k=4*10-6  适用于可控单脉冲和双脉冲电路及交流控制器

k=6*10-6  适用于可控三脉冲和六脉冲电路及三相控制器


应确保在公式中使用具有以下单位的值:


PR[W]

Vr[V]

C[µF]

f[Hz]


如有要求,可按照图41修改缓冲电路,以减小过压,进而减小晶闸管在开通过程中承受的应力。


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图41.用于晶闸管的扩展RC缓冲电路示例


a–采用双极型电压浪涌抑制器

b–采用RCD组合来抑制开通电流

c–采用RCD组合来抑制dv/dt和正向断态电压


注意:Do=快速二极管,尤其是在开通情况下


存在变压器缓冲时,只要所用晶闸管的最高电压上升率达到(dv/dt)cr>500V/µs,则在整流器工作电路中可以不使用RC缓冲电路(见7.13),


7.1.2 交流控制器的输入缓冲


在交流控制器和三相控制器中,在反并联配置中使用的晶闸管可用于相控制以及例如软启动器中的全波工况。图42


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图42.交流控制器的缓冲电路


显示的是缓冲电路。


表2中的RC串联缓冲电路建议值适用于在正常工作条件和以下情况下的晶闸管的缓冲:


●    电源电压和电流之间的感应相位角<30°el(cos9> 0.866)。这样可确保抑制缓冲电路中可能出现的电容和电感串联所导致的振荡。

●    晶闸管的重复峰值阻断电压和电源电压峰值之间的安全裕量>2.2(见3.1.2.1)。

●    晶闸管的电压临界上升率(dv/dt)cr>500V/µs。


注意:表2中规定的通态电流ITAV足够准确,可被视为单向配置中的晶闸管的平均值。为了确定负载电流,可通过以下公式计算反并联配置中单个晶闸管的ITRMS RMS值和总电路的IRMS RMS值:


对于大功率半导体和在大型装置中实施的光触发晶闸管,常根据电路参数和所用半导体类型优化缓冲电路。在这种情况下可忽略电压上升率,因为这些晶闸管的电压临界上升率明显比上述标准高。


因此没必要对缓冲电路设计作一般性建议。


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图43.交流控制器电流计算


7.1.3 用于电网换相变流器的电源缓冲电路


最好通过组合式缓冲电路来抑制来自电网的或者因变流器变压器或扼流圈开关导致的高能量过压。对于带晶闸管或二极管的变流器,缓冲电路位于交流侧,并由带二极管的辅助整流器和带放电电阻的保护电容器组成。二极管桥会阻碍缓冲电路电容放电,所以这些放电电阻必不可少。必须设计放电电阻,使电容可以在一个周期内放电。(见图44和表4)。


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图44.可控整流器交流侧的组合式缓冲电路


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表4.可控三相桥交流侧的组合式缓冲电路中的元件


变流器和辅助整流器中的所有晶闸管和二极管通常没必要另外采用单独缓冲电路,因为组合式缓冲电路也可起到RC网络的作用。除非是一些双变流器电路,例如两个三相反并联桥。设计组合式缓冲电路时须注意以下元件:


串联电阻R1


此元件可防止变流器变压器在开关时可能造成的振荡。同时,它可以通过辅助整流器中的二极管限制保护电容器在开通和承受过压时产生的放电尖峰。


保护电容器C1


当变流器变压器或扼流圈关断时,此元件必须吸收积累的能量,以免电压超过需保护的晶闸管或二极管的最高允许重复峰值断态电压;开关电弧损耗除外。


放电电阻R2


当连续过压能量的放电时间常数R2·C=80ms时,根据实际经验选择该元件的阻值。


辅助整流二极管


选择辅助整流二极管时,除了考虑所需的阻断能力,还要考虑器件可允许的浪涌电流,允许浪涌电流取决于保护电容器的电荷浪涌电流。过压的发生时间较短且间隔时间较长,所以辅助整流管的利用率较低,功率耗散也较低。通常无需使用散热器。


7.1.4 用于高能量过压保护的其他选择


RLC滤波器


由变流器变压器的杂散电感或换相扼流圈的电感以及在星点接地的RC网络组成。它们适用于抑制短期低能量过压,因为考虑到电容器的放电电流,可能不会选择阻值过低的电阻器。此外,由于会产生损耗,电容大小会受限(见图45)。


火花隙避雷器


可用于预计线路中会产生高能耗过压的情况。由于其在达到触发电压后会延迟开通,因此通常有必要采用额外的过压保护措施(见图45)。


直流缓冲器


可使用直流缓冲器抑制负载侧的过压(见图45)。


可使用金属氧化物压敏电阻等电压敏感型电阻器取代RC网络。一方面应记住,压敏电阻通常不适合限制重复过压,因为它们在重复过压情况下会导致热稳定性变差并严重老化。另一方应注意,不得使用规格不合适的压敏电阻,否则将妨碍高能量过压保护装置(通常为火花隙避雷器)发挥作用。


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图45.用于高能量过压保护的其它选择


7.2 过流保护


晶闸管和二极管可以承载较大工作电流,但也可能由于过流而损坏,因此需要采取合适的保护措施。根据过流类型选择合适的保护装置。通常区分为短期保护和长期保护。


7.2.1 用超快半导体熔断器实现短期保护


使用具有超快开路特性的特殊半导体保护熔断器实现短期保护,通过短期保护将短路产生的过流限制到某个值,该值可使晶闸管或二极管在长达一个正弦半波的时间范围内不会面临受损风险。在最糟糕的情况下,它们在关断时可达到数据手册中针对具体类型规定的∫i²dt 值。


半导体承受∫i²dt值时完全或部分失去其断态和阻断能力,直到结温下降至持续工作所允许的值。数秒后这种应力可能重复出现,在变流器的整个工作时间内,这种应力只会随有限数目的脉冲发生(另见3.1.16)。


7.2.1.1 熔断器选型


可将熔断器置于一相或支路(桥臂)中。支路熔断器可实现最安全的短期保护,并允许晶闸管或二极管的最大电流负载。采用相熔断器可降低结构复杂性。


但是对于具有反电动势的负载可能产生的反馈,必须在变流器输出端另外采用熔断器,因为从负载反馈到直流母线的短路电流不一定会流过相熔断器。


对于一些载流能力高的晶闸管或二极管,有必要并联两个熔断器。选择熔断器时需考虑以下值:


熔断器额定电压


熔断器额定电压必须高于驱动短路电流的电压。


驱动短路电流的电压


此电压通常与电源电压相等;仅在交流变流器工作的情况下,此电压为电源电压的1.8倍。


重复电压VRMS


此电压等于用驱动短路电流的电压VKRMS除以位于短路路径中的串联熔断器的个数N再乘以安全系数Fs=1.3 所得的结果。以下公式适用:


15.png


例如在B2和B6电路中,VRMS=1/2*1.3*VKRMS= 0.65*VKRMS


熔断器起弧电压


在灭弧过程中,熔断器产生起弧电压(此电压与熔断器结构有关)和重复电压。这些电压的峰值不得超过半导体浪涌峰值电压,以防损害电路中的任何反向偏置元件。


熔断器标称电流额定值


该值通常指的是正弦波交流电流,并且会因偏离电流波形而高于或低于额定值。熔断器标称电流应稍高于预期的相或支路电流。


∫i²t关断值


该值是熔断积分和电弧积分之和,因此必须低于晶闸管的∫i²dt值。


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图46.超快熔断器的关断特性


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表5.分支(臂)电流和相电流的计算


短路电流增大过程中,熔断体首先熔断。然后覆盖填料——通常为石英砂——熄灭由此产生的电弧。这些熔断器在3至5ms内熔断(见图46)


可以使用表5所示的公式,用各种变流器电路的输出电流计算出分支电流或相电流的RMS值。


这些因子适用于电阻性负载和零延迟输出。


7.2.2 更多保护设计:大功率半导体的短期保护


7.2.2.1 高速直流断路器


短路时可在几毫秒内实现电动触发。因成本较高,很少使用这种装置。


7.2.2.2 撬棍电路(电子短路器)


这种电路最常用于带关断元件(IGBT、GTO、IGCT)的电压源逆变器。一旦直流总线电压超过规定的保护电平,撬棍电路触发且直流母线电容放电。当脉冲电流使极性反转时,通过特殊二极管或逆变器电路中的续流二极管馈电。


7.2.2.3 电网侧断路器


半导体必须承载短路电流直到断路器断开电网连接。在大型装置中,这种情况在三至五个半波后发生。


7.2.2.4 阻断触发脉冲


超过规定电平时,晶闸管的触发脉冲被抑制。然后晶闸管先后承受电流半波和反向断态电压和正向断态电压。这要求此半导体具有足够强的阻断能力。


7.2.3 长期保护


可通过合适的热和磁过流保护方法或熔断器实现长期保护。这些保护装置的关断特性应低于短时工作中的过压。晶闸管或二极管的阻断能力将保持不变。因此通过阻断触发脉冲也可以实现对晶闸管的长期保护。如果不需要最大阻断能力,可根据章节3.1.14所述的最高过载通态电流特性确定中断特性。


7.2.4 满载额定保护


这种保护由长期保护和短期保护组成,实际上仅通过组合使用几种保护措施即可实现。


7.3 通过负载电路中的电感器限制动态电流


如果负载电路中的电感较低,开通晶闸管时,电流上升率可能过高。为了避免损坏,有必要插入额外电感 LZ,此电感器可使开通电流的上升率减小(见图 47)。这种方法还可降低开通损耗。


对于线性电感,扩散触发的硅片区域中的电流密度在电流上升过程中减小。


在饱和扼流圈中,当硅片的较大部分已处于导通状态时,经过阶跃时间tst(见图47)后将出现较高电流上升率。在阶跃时间开始时,阶跃电流iTSt(见图47)应大致等于重复开通电流IT(RC)M(见3.4.1.2.3)。


如果阶跃电流更低,可通过与扼流圈并联的电阻Rp提高阶跃电流。如果在0时刻施加电压V0,则按以下公式计算电流iRSt


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图47.具有不同串联电感的晶闸管开通电流变化示意图


a:最大允许区域

b:不允许工作,不限制电流上升率

c:允许工作,负载电路中具有线性串联电感

d:允许工作,负载电路中具有串联饱和扼流圈


7.4 减少门极电路中的干扰脉冲


变流器会使负载电路产生电流和电压的突变。这时,由于门极引脚和触发器电子元件上的电感或电容耦合,晶闸管的门极端子处可能出现干扰脉冲。因此可能意外触发晶闸管并导致装置中产生运行故障。


减少耦合以避免干扰脉冲的常用措施包括缠绕或缩短门极引脚,甚至包括改进触发器变压器或触发器电子器件的屏蔽。此外还可保护门极电路(见图48)。


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图8.晶闸管的门极保护示例


对于标准相控晶闸管,建议如下:


Cx=10...47nF

Rx根据tX=RxCx=10...20µs确定

Dx快速二极管


必须使用放电电阻Rx,否则电压临界上升率(dv/dt)cr等晶闸管数据可能衰减。如果缓冲电路对控制电路造成不利影响,设计触发器电路时必须考虑到这一点(另见 3.3.1.8)。



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