电力电子器件保护
电力电子器件概述
5. 反向恢复时间trr 6. 浪涌电流IFSM
1.2.4 主要类型
1. 普通二极管——又称整流二极管 1KHZ以下 数千安和数千伏以上
2. 快恢复二极管 5μs以下 3. 肖特二极管
1.3 半控型器件——晶闸管(SCR)
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
Id
1
2
3
Im
sin td
t
3
4
Im
0.24Im
I
1
2
Im
sin t
2
d
t
0.46Im
3
Kf
I Id
0.46 0.24
1.92
IT ( AV )
100 2
50
Id
1.57 50 1.92
41 A
Im
Id 0.24
41 0.24
171
A
⑵ 维持电流IH 使晶闸管维持通态所必需的最小主电流。 ⑶ 擎住电流IL ⑷ 浪涌电流ITSM
4. 光控晶闸管LTT
⑴又称光触发晶闸 管，是利用一定 波长的光照信号 触发导通的晶闸 管。
⑵光触发保证了主 电路与控制电路 之间的绝缘，且 可避免电磁干扰 的影响。
⑶在高压大功率的 场合占有重要地位。
1.4 典型全控型器件
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。
不可控器件：电力二极管
半控型器件：晶闸管及其派生器件 全控型器件：功率场效应管、绝缘栅双极性晶体管、
门极可关断晶闸管
⑵ 按照控制信号性质可分为： 电流控制型 电压控制型：控制功率小
电力电子器件IGBT 的选用与保护
电力电子器件IGBT的选用与保护钱金川1朱守敏2（1.上海高企电器有限公司，上海 201602；2.浙江泰华电器有限公司，浙江乐清 325604）摘要本文介绍了电力电子器件的详细分类,并着重介绍了IGBT的选用以及保护应注意事项。
关键词：电力电子器件；IGBT；选用；保护Application and Protection of Power Electronic Devices IGBTQian Jinchuan1Zhu Shoumin2（1.Shanhaigaoqi Ele.Appliances.Co.,Ltd., Shanghai 201602；Zhejiang taihua Ele.Appliances Co.,Ltd., Zhejiang Yueqing 325604）Abstract This article introduces the detailed sort of power electronic devices and pay much attention to introduce the election,protection and some notice.Key words：power electronic devices；IGBT；selection；protection1引言电力电子技术是以电力为对象的电子技术,它的主要任务是对电能进行控制和变换。
随着微电子技术以及计算机技术的发展,不断涌现出新型的电力半导体器件,并通过发展逐步将电力电子技术划分为传统电力电子技术(以半控型电力器件为核心)和现代电力电子技术(以全控型器件为核心)。
尤其近几年电力电子技术始终与逆变电源领域的发展密不可分,越来越成为该领域中的重要组成部分,也极大地带动了逆变领域的飞速发展。
IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor）是绝缘门极双极型晶体管，它是20世纪80年代末90年代初迅速发展起来的新兴复合功率开关器件，属全控型自关断器件。
第1章 电力电子器件概述(第一部分)(2)
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点
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1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）概念:
电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电 子器件。
主电路（Main Power Circuit）
和控制电 路中附加 一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
V1 L R
V2
主电路
电气隔离 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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1-7
注重对器件的保护：通常采用吸收（缓冲） 保护电路（ Snubber ）来限制器件的 du/dt 和di/dt，减小由于大电流跃变在引线（寄 生）电感上形成的反电势尖峰，以防器件 过压击穿。 需要驱动与隔离：强、弱电系统之间电气 隔离，不共地，消除相互影响，减小干扰， 提高可靠性。
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
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1-6
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。 在主电路
控 制 控制电路 电 路 检测 电路 保护 电路 驱动 电路
额定电流 —— 在指定的管壳温度和散热条件下， 其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应 按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留 有一定的裕量。 在工频正弦半波的情况下：
平均值 IF(AV) 有效值 1.57 IF(AV)
电力电子器件总结
电力电子器件总结：名称优缺点应用场合电力二极管整流二极管优：结构简单、工作可靠`缺：不可控整流，续流，电压隔离、钳位或保护SBD(肖特基)FRD（快恢复SCR晶闸管可控硅FST(快速)优：承受电压和电流容量在所有器件中最高缺：半控| TRIAC(双向)RCT（逆向）LTT（光控）电力MOSFET（单极型）(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)金属-氧化物-半导体-场效应晶体管%优：开关速度快（利用电场感应控制反型层导电沟道，不存在正偏PN结所固有的载流子存储效应），输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题。
缺：电流容量小，耐压低。
一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置GTO(双极型)优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强；缺：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低兆瓦以上的大功率…GTR（双极型）电力二极管优：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低；缺：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题基本淘汰IGBT（混合型）《绝缘栅门极晶体管（Insulated- Gate Bipolar Translator）结合了GTR和MOSFET的优点优：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小缺：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO广泛应用，指望一统天下（主要兆瓦以下）几种不可替代的场合：FRD（Fast Recovery Diode）在中、高频整流和逆变；SBD(Schottky Barrier Diode)在低压高频整流；（开关速度非常快，开关损耗也特别小，耐压比较低）LTT(Light Triggered Thyristor)高电压大功率；（光触发保证住电路与控制电路之间的绝缘和电气隔离，可以避免电磁干扰的影响）GTO(Gate-Turn-Off Thyristor)兆瓦以上的大功率。
电力电子技术第三章 全控型器件的驱动
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2.专用集成驱动电路芯片 1)驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1m，并使用双绕线，以提 高抗干扰能力。
图3-9 电力MOSFET的一种驱动电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
3z10.tif
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压脉冲，应增加栅极串接电 阻RG的阻值。 3)图3-10中外接两个电容为47μF，是用来吸收电源接线阻抗变化引 起的电源电压波动。
图3-6 抗饱和电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。在 轻载情况下，GTR饱和深度加剧使UCE减小，A点电位高于集电极电 位，二极管VD2导通，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减 小了GTR的饱和深度。抗饱和基极驱动电路使GTR在不同的集电极 电流情况下，集电结处于零偏或轻微正向偏置的准饱和状态，以缩 短存储时间。在不同负载情况下以及在应用离散性较大的GTR时， 存储时间趋向一致。应当注意的是，VD2为钳位二极管，它必须是 快速恢复二极管，该二极管的耐压也必须和GTR的耐压相当。因电 路工作于准饱和状态，其正向压降增加，也增大了导通损耗。
图3-2 门极控制电路 结构示意图
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(1)开通控制 开通控制要求门极电流脉冲的前沿陡、幅度高、宽 度大及后沿缓。
图3-3 推荐的GTO门极控制 信号波形
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(2)关断控制 GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出P2基区 的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。 (3)GTO的门极驱动电路 GTO的门极控制电路包括开通电路、关断 电路和反偏电路。 间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连，其优点是： GTO主电路与门极控制电路之间由脉冲变压器或光耦合器件实现电 气隔离，控制系统较为安全；脉冲变压器有变换阻抗的作用，可使 驱动电路的脉冲功率放大器件电流大幅度减小。缺点是：输出变压 器的漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制，输出变压器的寄生电 感和电容易产生寄生振荡，影响GTO的正确开通和关断。此外，隔 离器件本身的响应速度将影响驱动信号的快速
电力电子器件保护
电力电子器件的保护
一、晶闸管的保护
（一）过电流及其保护
3、直流快速开关保护 动作时间2ms，断弧时25-30ms。用于功率大、短路可能
性大的系统。
4、进线电抗限制保护 具有限流效果，但大负载时交流压降大。
电力电子器件的保护 一、晶闸管的保护
（二）过电压及其保护
器件开关引起冲击过电压 雷击、干扰引起浪涌过电压
电力电子器件的保护
一、晶闸管的保护
（二）过电压及其保护
1、晶闸管关断过电压及保护
iT 反射漏电流iRS
Id
uT
L
d_i
dt
电力电子器件的保护 一、晶闸管的保护
（二）过电压及其保护
1、晶闸管关断过电压及保护
L VT1 VT2
uT1 VT1由导 通－关断
电力电子器件的保护
一、晶闸管的保护
（二）过电压及其保护
（二）过电压及其保护
2、交流侧过电压及保护（交流侧阻容吸收电路）
单相连接
三相星形连接
电力电子器件的保护 一、晶闸管的保护
（二）过电压及其保护
2、交流侧过电压及保护（交流侧阻容吸收电路）
三相三角形连接
三相整流连接
电力电子器件的保护 一、晶闸管的保护
（二）过电压及其保护
2、交流侧过电压及保护（采用压敏电阻吸收）
抑制方法： ❖ 利用变压器漏感及晶闸管两端的阻容吸收电路。 ❖ 在电源输入端串联进线电感并加阻容输出。 ❖ 在每个整流桥臂上串接空心电感。 ❖ 在桥臂上套铁淦氧磁环。
电力电子器件的保护
一、晶闸管的保护
（三）正向电压上升率和电流上升率的抑制
2、正向电流上升率di/dt的抑制 如电流上升率过大，会使晶闸管损坏。
电力电子器件保护
a) a) 伏安特性差异
b)
b) 串联均压措施
图1-41
1.8.2
1. 概述
晶闸管的并联
1) 目的：多个器件并联来承担较大的电流 2) 问题：静态和动态特性参数差异→电流分配不均匀 2. 均流措施 • 选用特性参数尽量一致的器件 • 采用均流电抗器 • 用门极强脉冲触发也有助于动态均流 • 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串 后并的方法联接方法
• 内因过电压 电力电子装置内部器件的开关过程引起 (1) 换相过电压 原因: 线路电感→晶闸管(或与全控型器件反并联的二极管) 在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流 流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小→两端 感应出高电压。 (2) 关断过电压 原因: 全控型器件关断时，正向电流迅速降低→线路电感 →器件两端感应出的过电压。
1.7.2
过电流保护
1. 过电流形式—过载和短路 过电流原因举例 电网电压波动过大； 内部管子损坏或触发电路故障，引起两相短路；
整流电路直流侧出现短路、逆变失败引起短路；
环流过大、控制系统故障。
1.7.2
过电流保护
变压器 电流互感器 快速熔断器 变流器 直流快速断路器 负载
2. 常用保护措施
混 合 IGBT 型
（
MCT
双 极
SIT H 晶闸管
T TO RC G LT T
功率SIT 极
（
复 合 型
GT R
型
肖特基势垒二极管 型
I 电力二极管 AC
TR
• 双极型：电力二极管、晶闸管、 GTO、GTR和SITH • 复合型：IGBT和MCT
电力电子器件分类“树” 图1-42
本章小结
电力电子技术_洪乃刚_第二章电力电子器件
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2、晶闸管的电流参数 通态平均电流和额定电流 通态平均电流IAV国际规 定是在环境温度为40°C和在规定冷却条件下，稳定结 温不超过额定结温时，晶闸管允许流过的最大正弦半 波电流的平均值。晶闸管以通态平均电流标定为额定 电流。 当通过晶闸管的电流不是正弦半波时，选择额定 电流就需要将实际通过晶闸管电流的有效值IT折算为 正弦半波电流的平均值，其折算过程如下： 通过晶闸管正弦半波电流的平均值 ：
晶闸管开通和关断过程
晶闸管在受反向电压关断时，反向阻断恢复时间 trr，正向电压阻断能力恢复的这段时间称为正向阻断 恢复时间tgr，晶闸管的关断时间toff=trr+tgr，约为 数百微秒。 （2）dv/dt和di/dt限制 晶闸管在断态时，如果加在阳极上的正向电压上 升率dv/dt很大会使晶闸管误导通，因此，对晶闸管正 向电压的dv/dt需要作一定的限制。 晶闸管在导通过程中，如果电流上升率di/dt很 大 会引起局部结面过热使晶闸管烧坏，因此，在晶闸 管导通过程中对di/dt也要有一定的限制。
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二、电力二极管的伏安特性
当施加在二极管上的正向电压大于UTO 时， 二极管导通。当二极管受反向电压时，二极管仅 有很小的反向漏电流（也称反向饱和电流）。
二极管的伏安特性
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三、电力二极管的主要参数
A、额定电压 B、额定电流 C、结温
电力二极管实物图
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A、电力二极管的额定电压 反向重复峰值电压和额定电压： 额定电压即是能够反复施加在二极管上，二极 管不会被击穿的最高反向重复峰值电压URRM，该电压 一般是击穿电压UB的2/3。在使用中额定电压一般取 二极管在电路中可能承受的最高反向电压（在交流 电路中是交流电压峰值），并增加一定的安全裕量。
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1.6 电力电子器件的保护
较之电工产品，电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。
因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。
1.6.1 过电压的保护
1. 过电压的产生
电源侧过电压电力电子设备一般都经变压器与交流电网连接，电源变压器的绕组与绕组、绕组与地之间都存在着分布电容，如图1-26所示。
变压器一般为降压型，即电源电压u高于变压器次级电压。
电源开关断开时，初、次级绕组均无电压，绕组间分布电容电压也为0，当电源合闸时，由于电容两端电压不能突变，电源电压通过电容加在变压器次级，使得变压器次级电压超出正常值，它所连接的电力电子设备将受到过电压的冲击。
u2
图1-26 交流侧过电压
在进行电源拉闸断电时也会造成过电压，在通电的状态将电源开关断开将使激磁电流从一定的数值迅速下降到0，由于激磁电感的作用电流的剧烈变化将产生较大的感应电压，因为电压为Ldi/dt，在电感一定的情况下，电流的变化率越大，产生的过电压也越大。
这个电压的大小与拉闸瞬间电流的数值有关，在正弦电流的最大值时断开电源，产生的di/dt最大，过电压也就越大。
可见，合闸时出现的过电压和拉闸时出现的过电压其产生机理是完全不同的。
在电力电子设备的负载电路一般都为电感性，如果在电流较大时突然切除负载，电路中会出现过电压，熔断器的熔断也会产生过电压。
另外电力电子器件的换相也会使电流迅速变化，从而产生过电压。
上述过电压大都发生在电路正常工作的状态，一般叫做操作过电压。
雷电和其它电磁感应源也会在电力电子设备中感应出过电压，这类过电压发生的时间和幅度的大小都是没有规律的，是难以预测的。
2. 过电压保护措施
（1）阻容保护
过电压的幅度一般都很大，但是其作用时间一般却都很短暂，即过电压的能量并不是很大的。
利用电容两端的电压不能突变这一特点，将电容器并联在保护对象的两端，可以达到过电压保护的目的，这种保护方式叫做阻容保护。
起保护作用的电容一般都与电阻串联，这样可以在过电压给电容充电的过程中，让电阻消耗过电压的能量，还可以限制过电压时产生的瞬间电流。
并且R的接入还能起到阻尼作用，防止保护电容和电路的电感所形成的寄生振荡。
图1-27为电源侧阻容保护原理图。
图（a）为单相阻容保护电路，图（b）、（c）为三相阻容保护电路，RC网络接成星型，如图（b）；也可以接成三角形，如图（c）。
电容越大，对过电压的吸收作用越明显。
在图1-27中，图（a）为单相阻容保护，阻容网络直接跨接在电源端，吸收电源过电压。
图1-27（b）为接线形式为星型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压，图1-27（c）为接线形式为三角型的三相阻容保护电路，平时电容承受电源相电压。
显然，三角型接线方式电容的耐压要为星型接线的3倍。
但是无论哪种接线，对于同一电路，过电压的能量是一样的，电容的储能也应该相同，所以星型接线的电容容量应为三角形的3倍。
也就是说两种接线方式电容容量和耐压的乘积是相同的。
（a）（b）（c）
图1-27阻容保护
（2）整流式阻容保护
阻容保护电路的RC直接接于线路之间，平时支路中就有电流流动，电流流过电阻必然要造成能量的损耗并使电阻发热。
为克服这些缺点可采用整流式阻容RC保护电路，阻容式
RC保护电路如图1-28所示。
三相交流电经二极管整流桥变为脉动直流电，经R1给C充电，电路正常工作无过电压时电容两端保持交流电的峰值电压，而后整流桥仅给电容回路提供微弱的电流，以补充电容放电所损失的电荷。
由于与C并联的R2阻值很大，电容的放电非常慢，因此整流桥输出的电流也非常小。
一旦出现过电压，过电压的能量被电容吸收，电容的容量足够大，可以保证此时电容电压的数值在允许范围之内，从而也使交流电压不超过规定值。
过电压消失后，电容经R2放电使两端电压恢复到交流电正常时的峰值。
由此可以看出，R2越大整个电路的功耗越小，但过电压过后电容电压恢复到正常值的时间也越长，因此大小受到两次过电压时间最小间隔的限制。
图1-28整流式阻容保护电路
（3）非线性元件保护
图1-29 压敏电阻的伏安特性
常用的非线性保护元件有压敏电阻和硒堆，它们的共同特点是其两端所加电压的绝对值小于一定数值时元件的电流很小，外加电压一旦上升到某一定的数值，就会发生类似于
稳压管的击穿现象，元件的电流会迅速增大而元件两端的电压保持基本不变，这一电压叫做击穿电压。
压敏电阻的伏安特性如图1-29所示。
利用这一特性，将非线性保护元件并联在欲保护的电路的两端，就会将此处的电压限制在元件击穿电压的电压范围之内。
1.6.2 过电流的保护
电力电子电路中的电流瞬时值超过设计的最大允许值，即为过电流。
过电流有过载和短路两种情况。
常用的过电流保护措施如图1-30所示。
一台电力电子设备可选用其中的几种保护措施。
针对某种电力电子器件，可能有些保护措施是有效的而另一些是无效的或不合适的，在选用时应特别注意。
电流互感器
图1-30 过电流保护
交流断路器保护是通过电流互感器获取交流回路的电流值，然后来控制交流电流继电器，当交流电流超过整定值时，过流继电器动作使得与交流电源连接的交流断路器断开，切除故障电流。
应当注意过流继电器的整定值一般要小于电力电子器件所允许的最大电流瞬时值，否则如果电流达到了器件的最大电流过流继电器才动作，由于器件耐受过电流的时间极短，在继电器和断路器动作期间电力电子器件可能就已经损坏。
来自电流互感器的信号还可作用于驱动电路，当电流超过整定值时，将所有驱动信号的输出封锁，全控型器件会由于得不到驱动信号而立即阻断，过电流随之消失；半控型器件晶闸管在封锁住触发脉冲后，未导通的晶闸管不再导通，而已导通的晶闸管由于电感的储能器件不会立即关断，但经一定的时间后，电流衰减到0，器件关断。
这种保护方式由电子电路来实现，又叫做电子保护。
与断路器保护类似，电子保护的电流整定值也一般应该小于器件所能承受的电流最大值。
快速熔断器保护一般作为最后一级保护措施，与其它保护措施配合使用。
根据电路的不同要求，快速熔断器可以接在交流电源侧（三相电源的每一相串接一个快速熔断器），也
可以接在负载侧，还可电路中每一个电力电子器件都与一个快速熔断器串联。
接法不同，保护效果也有差异。
熔断器保护有可以对过载和短路过电流进行“全保护”和仅对短路电流起作用的短路保护两种类型。
撬杠保护多应用于大型的电力电子设备，电路中电流检测、电子保护都是必需的，同时还要在交流电源侧加一个大容量的晶闸管。
其保护原理如下：当检测到的电流信号超过整定值时，触发保护用的晶闸管，用以旁路短路电流，晶闸管支路中可接一个小电感用以限制di/dt；驱动电路开通主电路中的所有电力电子器件，以分散短路能量，让所有器件分担短路电流；使交流断路器断开，切断短路能量的来源。
经一段时间的衰减短路能量消失，起到保护作用。
1.6.3 MOSFET的栅极保护
MOSFET的栅极有一层氧化物绝缘层，所以其栅-源之间有很高的输入电阻。
而这一绝缘层又是很脆弱的，只能承受几十伏的电压。
由于绝缘性能好，栅极所聚集的静电没有释放的途径，可能产生较高的电压使绝缘层击穿而损坏器件。
所以必须对MOSFET的栅-源之间采取专门的保护措施。
其方法是，（1）栅极驱动电路的输出电压不得超过±20V；（2）在栅极和源极之间并联一定数量的电阻，为聚集的静电荷提供释放通路；（3）在栅极和源极之间并联稳压二极管支路，该支路由两个反向串联的稳压二极管组成，其稳压值分别限制栅-源之间的正向和反向电压；（4）在储存和运输时将MOSFET置于金属或其它导电材料制成的容器中或将器件的引脚短路，防止静电的产生和积累。