* 要求二极管VDS能快速开通、反向恢复时间trr短和反向恢复电荷Qr尽量小，吸收电路中的CS和
RS应当是无感元件，以尽可能减小吸收电路的杂散分布电感LS。例如RS不应选用线绕式的，而应是涂膜工艺制作的无感电阻，电容CS应选用低串联电阻、电感小且频率特性好的电容。
* * * * * *
1.5 电力电子器件及变换器的保护
在电力电子变换器中，除了选择合适的电力电子器件参数、设计良好的驱动电路和缓冲电路功率二极管、晶闸管的过电压、过电流保护与变换器的保护是统一的； 而全控型电力电子器件的过电压和过电流保护有各自的特点。 1.5.1 变换器的过压保护
外，采用适当的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必要的；
* 1. 引起过压的原因
（1）操作过电压：由拉闸、合闸、快速直流开关的切断等经常性操作中的电磁过程引起的过压。 * * * * *
（2）浪涌过压：由雷击等偶然原因引起，从电网进入变换器的过压。
（3）电力电子器件关断过电压：电力电子器件关断时产生的过压。
（4）在电力电子变换器-电动机调速系统中，由于电动机回馈制动造成直流侧直流电压过高2. 过压保护方法
过压保护的基本原则是：根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的附加电路，当达到—
产生的过压。也称为泵升电压。
定过压值时，自动开通附加电路，使过压通过附加电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。保护电路形式很多，也很复杂。 * (1) 雷击过压可在变压器初级接避雷器加以保护。 *
(2) 二次电压很高或电压比很大的变压器，一次侧合闸时，由于一次、二次绕组间存在分布电容，高电压可通过分布电容耦合到二次侧而出现瞬时过压。可采取变压器附加屏蔽层接地或变压器星形中点通过电容接地的方法来减小。 *
(3) 泵升电压保护当电动机回馈制动时，电动机的动能转换成电能回馈到直流侧，引起直流侧电压升高，当电压升高到一定值时，会造成变换器的过电压。通常采用开关电路将能量消耗在电阻上。 *
（4）阻容保护电路
* 将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压；与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡； RC阻容保护电路可以设置在变换器装置的交流侧、直流侧。也可将RC保护电路直接并在主电路的元件上，有效地抑制元件关断时的关断过压。 * (5) 非线性电阻保护 *
非线性电阻具有近似稳压管的伏安特性，可把浪涌电压限制在电力电子器件允许的电压范围； * 常采用压敏电阻实现过压保护，压敏电阻是一种金属氧化物的非线性电阻；压敏电阻具有正、反两个方向相同但很陡的伏安特性正常工作时漏电流很小(微安级)，故损耗小。当过压时，可通过高达数千安的放电电流IY，因此抑制过压的能力强。此外，它对浪涌电压反应快，体积小，是一种较好过压保护器件。缺点是持续平均功率很小，如正常工作电压超过它的额定值，则在很短时间内就会烧毁 *
由于压敏电阻的正、反向特性对称，因此单相电路只需一个，三相电路用3个，联接成Y形或Δ形
* 压敏电阻的主要参数： *
① 额定电压U1mA 指漏电流为1mA时的电压值。
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* ② 残压比UY／U1mA UY为放电电流达规定值IY时的电压。
* ③ 允许的通流容量 指在规定的波形下(冲击电流前沿10μs，持续时间20μs)允许通过的浪涌电流。 * * *
1.5.2 变换器的过流保护
1. 引起过流的原因
外部出现负载过载、交流电源电压过高或过低、缺相时引起的电路过电流 ；电力电子变换器
内部某一器件击穿或短路、线路绝缘老化失效、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，引起的电路过电流 ；控制电路、触发电路、驱动电路的故障或干扰信号的侵入引起的误动作，引起的电路过电流；配线等人为的错误引起的电路过电流。 *
2. 过流保护的方法
* (1) 交流进线电抗器，或采用漏抗大的整流变压器，利用电抗限制短路电流。但正常工作时有较大的交流压降。 *
(2) 直流快速开关。对于大、中容量变换器，快速熔断器的价格高且更换不方便。为避免过流时烧断快速熔断器，采用动作时间只2ms的直流快速开关，它可先于快速熔断器动作而保护电力电子器件。 *
(3) 电流检测装置，过流时发出信号，过流信号一方面可以封锁触发电路，使变换器的故障电流迅速下降至零，从而有效抑制了电流。另一方面控制过电继电器，使交流接触器触点跳开，切断电源。但过流继电器和交流接触器动作都需一定时间(100～200ms)。故只有电流不大的情况这种保护才能奏效。 * *
(4) 快速熔断器
在晶闸管变换器中，快速熔断器是应用最普遍的过流保护措施，可用于交流侧、直流侧和装
置主电路中。
* 交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。 *
直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好。
* 与晶闸管串联的快速熔断器的选用原则： * * * *
① 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压有效值。
② 快速熔断器熔体的额定电流IKR是指电流有效值，晶闸管额定电流是指通态电流平均值。 ③ 熔断器(安装熔体的外壳)的额定电流应大于或等于熔体额定电流值。
一般装置中多采用过流信号控制触发脉冲的方法抑制过流，再配合采用快熔，使快熔作为过
流保护的最后措施。快熔适用于短路保护! * 1. 电压上升率du／dt 的限制 * * * *
(1) 产生电压上升率du／dt的原因 ① 由电网侵入的过电压。
② 由于电力电子器件换相时产生的du／dt (2) 电压上升率du/dt的限制方法
* ① 阻容保护线路同串接的电感一起在出现电压突变时，能起到限制电压上升率du/dt 的作用。 *
② 变换器交流侧如有整流变压器和阻容保护电路，则变压器漏感和阻容电路同样能起到衰减侵入过电压，减小过电压上升率的作用。
* ③ 在无整流变压器的变换器中，则应在电源输入端串入交流进线电感LT，配合阻容吸收装置对du/dt进行抑制。
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* * * * *
2. 电流上升率di／dt的限制
(1) 变换器中产生过大的di／dt 的原因电力电子器件从阻断到导通的电流增长过快。 交流侧电抗小或交、直流侧阻容吸收装置电容量太大，当电力电子器件导通时，流过过大的(2) 电流上升率di/dt的限制方法
上述的电力电子器件桥臂串联的电感Lk和交流进线侧的串联进线电感LT(或整流变压器的漏感)
附加电容的充、放电电流。与电力电子器件并联的缓冲保护电路在晶闸管开通时的放电电流。
都能同时起到限制di／dt的作用。在交流侧采用图所示的整流式阻容保护，使电容放电电流不经过导通时的电力电子器件，亦能减小管子开通时的电流上升率。 * 1.5.4 全控器件的过电压及过电流保护 * * *
1. 过电压保护
(1) 栅源间的过电压保护
对于功率MOSFET和IGBT来说，如果栅源间的阻抗过高，则漏源间电压的突变会引起极间电容
耦合到栅级而产生相当高的UGS电压过冲，这一电压会引起栅极氧化层永久性损坏。如果是正方向的UGS瞬态电压还会导致器件的误导通。采取的措施有：
* ① 为适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源间并接阻尼电阻。 * * *
② 有些型号的功率MOSFET和IGBT内部输入端接有齐纳保护二极管。
(2) 集射极或漏源极的过电压保护
电路中有感性负载，或回路中有等效电感时，则当器件关断时，电流的突变会产生比电源电
压还高得多的集射极或漏源极的电压过冲，导致器件的损坏。
* 对GTO、BJT、MOSFET、IGBT应采取前面介绍的稳压管钳位，二极管RC钳位或RCD缓冲电路等保护措施。 *
2. 过电流保护
* 自关断电力电子器件的热容量极小，过电流能力很低，其过流损坏在微秒级的时间内，远远小于快速熔断器的熔断时间，所以诸如快速熔断器之类的过电流保护方法对自关断型电力电子器件来说是无用的。
* 为了使自关断型器件组成的电力电子装置安全运行，保护的主要做法是：利用参数状态识别对单个器件进行保护；利用互锁的办法对桥臂中两个器件进行保护；利用电流检测等办法进行保护。 * *
(1) 电压状态识别保护
当BJT、GTO、IGBT等电力电子器件处于过载或短路故障状态时,随着集电极电流或阳极电流的
增加,其集射极电压UCE或阳极阴极的电压UAK均发生相应变化, BJT的基射极电压UBE也发生变化，可利用这一特点对BJT等自关断器件进行过载和短路保护。 * 基极电压状态识别保护 *
在基极电流和结温一定时，UBE随IC正比变化，其关系曲线如图所示，BJT的基极电压UBE与基准值电压UR
* 通过比较器进行比较，正常工作条件下：UBE＜UR，比较器输出低电平保证驱动管V的导通，一旦UBE＞UR，比较器输出 高电平使驱动管V截止，阻断了BJT的驱动信号，关断已经过流的BJT。 * * *
集射极电压状态识别保护电路检测UCE也可达到过电流保护的目的。 (2) 桥臂互锁保护
逆变器运行时，同一桥臂的两个开关管不能同时导通，由于开关管有关断时间，只有确认一
个开关管关断后，另一个开关管才能导通。为防止同一桥臂的两个开关管同时导通，应该设置桥臂互锁时间，防止桥臂短路故障。桥臂互锁时间的长短与开关管的关断时间相关。 *
(3) 过饱和保护
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* BJT的二次击穿多由于BJT工作于过饱和状态引起的，而基极驱动引起的过饱和使BJT的存储时
间不必要地加长，直接影响着BJT的开关频率，所以BJT的过饱和保护对它的安全可靠工作有着极其重要的作用。通常过饱和保护可根据被驱动BJT的基射极电压降的高低来自动调节基极驱动电流的大小，构成准饱和基极驱动电路来完成。GTO、IGBT在过饱和时也会使关断时间增大，造成关断损耗增大的问题，也可以采用准饱和驱动电路实现过饱和保护 。 * 3. 静电保护 *
功率MOSFET和IGBT的栅极绝缘的氧化层很薄，在静电较强的场合，容易引起静电击穿，造成栅源短路。此外，静电击穿电流易将栅源的金属化薄膜铝熔化，造成栅极或源极开路。故应采取如下措施： *
应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中，不能放在塑料袋或纸袋中。取用器件时，应拿器件管壳，而不要拿引线。
* 将开关管接入电路时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好是用内热式烙铁，先焊栅极，后焊漏极与源极或集电极和发射极，最好使用12V～24V的低电压烙铁，且前端作为接地点。
* 在测试开关管时，测量仪器和工作台都必须良好接地，并尽量减少相同仪器的使用次数和使用时间，开关管的三个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压。 * * * *
1.6 电力电子器件的串并联技术
尽管电力电子器件的电流容量和电压等级在不断提高，但仍然不能满足大容量整机应用的要（2） 动态均压
晶闸管在开通和关断的过程中，由于各器件的开通时间和关断时间等参数不一致，而造成的
求，需要串联使用以提高它们的电压等级或并联使用以提高它们的电流容量。
动态不均压问题。
* 晶闸管在开关过程中瞬时电压的分配决定于各晶闸管的结电容﹑导通时间和关断时间等差别，为了使开关过程中的电压分配均匀，减小电容C对晶闸管放电造成过大的di/dt，还应在电容
C支路中串联电阻R。
* 晶闸管串联连接时应尽可能选择参数比较接近的晶闸管串联，串联的各晶闸管开通时间之差 要小；要求门极触发脉冲的前沿要陡，触发脉冲的电流要大，使晶闸管的开通时间短，趋于一致。 *
由于晶闸管制造工艺的改进，器件的电压等级不断提高，因此要求晶闸管串联连接的情况会逐步减少。
* 2. 晶闸管的并联连接 * * * *
串联电阻法
由于串联电阻增大损耗，对电力电子器件而言无实用价值。 串联电抗法
用一个均流电抗器(铁心上带有两个相同的线圈)接在两个并联的晶闸管电路中。但因铁心笨
重，线圈绕制不便，在并联支路数很多时，线路的配置就较复杂了。
* 采用两个耦合较好的空心电感，也可起到一定的均流效果。它的优点是接线简单，还有限制
di/dt和du/dt的作用。由于空心电抗器的线圈都有电阻，因此实际上它是电阻串电感均流。器件
并联后，必须降低电流的额定值使用， * 晶闸管并联连接时应尽可能选择参数比较接近的晶闸管进行并联；触发脉冲前沿要陡，电流要大，使各晶闸管开通时间之差要小。适当增大电感，可以减少各并联支路中动态电流的偏差。安装时使各支路铜线长短相同，使各支路分布电感和导线电阻相近。需要同时采取串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法 *
1.6.2 GTO的串并联
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* GTO的串联连接
* GTO串联时，采用与晶闸管相似的方法解决均压问题。GTO的动态不均压的过电压产生于器件开通瞬间电压的后沿和关断瞬间电压的前沿，精心设计门极控制电路，采用强触发脉冲驱动，以消除动态不均压的影响。 * * *
GTO串联均压电路 2. GTO的并联连接
一个GTO内部就是由几百个小GTO单元并联工作的，这就给多个GTO之间的并联工作创造了先天
性的有利条件。
* GTO并联均流电路 *
GTO并联要解决的是在开通和关断过程中产生的动态不均流问题。随结温的上升，开通时间将缩短，而关断时间却有延长的趋势，这就更加大了并联工作的GTO1与 GTO2之间的开关时间差异，从而导致GTO的开关损耗进一步增大，温度再增高，这样继续下去，恶性循环的结果就会烧坏器件。
* 除了严格挑选并联工作的GTO通态电压相等外，精心设计门极控制电路，采用强触发脉冲驱动，力争做到并联的GTO同时开通和同时关断。 * * * *
1.6.3 BJT的串并联
1. BJT的串联连接
由于BJT对过电压敏感，通常BJT是不进行串联运行的 2. BJT的并联连接
* 大电流BJT管芯中采用了若干小电流的BJT并联，因此用并联来增大BJT电流容量是比较常用的方法。 *
当负载电流比较小时，并联的两个管子的集电极电流分配是极不均匀的，但是随着负载电流的增大，电流分配将大为改善。使用同一个厂家同一型号的管子，多管并联时可以不采用负载均衡措施。开关过程中，BJT的负载分配是不均匀的，必须设计一种合适的电路，使它能够在动态下自动保持并联的管子的均衡负载能力。 * * *
通过二极管VDAS的自适应作用，BJT总是能使基极电流自动和集电极电流相适应 1.6.4 功率MOSFET的串并联 1. 功率MOSFET的串联连接
* 一般来说，因功率MOSFET经常工作在高频开关电路中，常用的电阻与电容串并联在解决动态均压时，由于分布参数的影响，难以做到十分满意，所以除非必要，通常不将它们串联工作。 *
2. 功率MOSFET的并联连接
* 由于功率MOSFET的导通电阻是单极载流子承载的，具有正的电阻温度系数。当电流意外增大时，附加发热使导通电阻自行增大，对电流的正增量有抑制作用，所以功率MOSFET对电流有一定的自限流能力，比较适合于并联使用而不必采用并联均流措施。 * * * * * * * * *
1.6.5 IGBT的串并联 1. IGBT的串联连接
与BJT一样，通常IGBT不串联使用。 2. IGBT的并联连接 (1) 并联时的注意事项
当并联使用时，使用同一等级UCES的模块。
并联时，各IGBT之间的IC不平衡率≤18%。
并联时，各IGBT的开启电压应一致，如开启电压不同，则会产生严重的电流分配不均匀 (2) 并联时的接线方法
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