图1-2 三相两电平逆变器-电动机系统

在电力半导体器件使用的过程中，一般非常重视器件所承受的电压和流经的电流峰值、平均值和有效值对器件的影响，由此经常使用过电压、过电流、过载或过热保护，以确保电力半导体器件和其所在变换器的安全。随着变换器技术的不断发展，人们越来越关注di/dt和du/dt，即电应力对变换器的影响，di/dt和du/dt对电力半导体有特殊意义。

首先，在电力电子变换器中，电力半导体器件是di/dt和du/dt的主要产生者。在现代变换器中，为有效控制输出电压、电流、频率以及波形，常采用脉宽调制（PWM）控制技术。PWM控制技术是利用电力半导体器件的导通和关断作用把连续变化的输入电量变成输出脉冲序列电量，并通过控制脉冲宽度或周期来达到变压、变流或变频的目的。在变换器进行PWM控制过程中，所产生的谐波和电应力（di/dt和du/dt）对输入电源、所带负载和变换器本身产生相应的影响。举例来说，图1-2所示的逆变器驱动电动机系统中，采用变频变压（VVVF）控制，其PWM方式为正弦PWM（SPWM）即三角波与正弦波比较产生PWM的方式，载波比较示意图、输出线电压波形及其谐波分布如图1-3所示。明显地，通过电力半导体器件的开关动作，变换器所输出的电压波形中除了含有所希望的正弦基波外，还含有其他所不期望的谐波。通常，这些谐波一般分为三类：第一类是来自电网电源的各次谐波，逆变器的直流环节没有被完全滤除，而进入输出，称为电网频率谐波，在图1-3所示的谐波分布中没有给出；第二类是电力半导体器件动作的开关频率及其倍数频率附近的谐波，这些谐波是由变换器中一些高频开关环节（斩波、逆变）产生的，其频率分布和幅值与开关的控制策略有关，称为开关频率谐波，在图1-3中，开关频率是输出基波频率的15倍；第三类干扰则出现在数十MHz上，这些干扰是由于开关本身通断时器件内部的瞬变过程引起的，与开关器件内部的载流子运动有关，构成了开关暂态干扰，在图1-3所示的谐波分布中没有给出。变换器系统中，这三类谐波起因不同，其构成的干扰的频段不同，对应的分析和措施也不同，尤其是第三类谐波构成的干扰，往往在变换器设计和应用中容易被忽略，从而会造成严重的后果。

图1-3 三相两电平逆变器 载波比较和线电压波形

其次，通过电力半导体器件，di/dt和du/dt两种电应力可以得到相互转化。简单来说，通过器件及其周边的寄生电感和寄生电容，将di/dt和du/dt进行相互转化，在器件的开关瞬态过程中，两者总是相伴出现。举例来说，逆变器中一个IGBT的开通和关断过程中的电压、电流波形示意图如图1-4a、b所示。在图中虚线之间的过程，高的di/dt和du/dt过程相互转化。比如在IGBT关断过程中，内部载流子随着IGBT栅极电压的变化而迅速下降，该di/dt过程经过器件内部和周边的寄生电感L_s，转换成L_s di/dt峰值电压，造成高的du/dt过程。需要注意的是，在这里仅是做定性说明，要准确分析di/dt和du/dt的相互转换过程，还要分析各寄生电容和寄生电感的非线性特性。

最后，在电力电子变换器中，电力半导体器件不但是di/dt和du/dt的生产者，还是主要承受者。电力半导体器件一般都有自己的du/dt耐量和di/dt耐量，超过器件的耐量，会对器件造成损伤。图1-5a给出了变换器中一只1200V/450A的IGBT的大电流时的开通过程实验波形，在该过程中，di/dt和du/dt的计算值如图1-5b所示，开通后的稳态电流约为500A，开通过程的电流峰值约为900A，但是di/dt幅值超过了5kA/μs；开通前的承压约为600V，而du/dt的幅值接近5kV/μs。

同样地，在该IGBT的关断过程实验波形及di/dt和du/dt的计算结果如图1-6所示。在此过程中，直流母线电压约为600V，关断过程的电压峰值不足900V，但是du/dt幅值超过了7kV/μs；关断电流约为500A，而di/dt的幅值接近5kA/μ^s。

所以，在使用电力半导体器件时，不仅要考虑流经器件的最大电流和器件承受的最大电压，电压和电流的变化率也是非常重要的性能参数。但是目前的很多资料中，对此描述还不够充分。下面仅以晶闸管为例说明电力半导体器件的du/dt耐量和di/dt耐量问题。(www.daowen.com)

晶闸管所能承受电流的上升率（di/dt）的能力称为该晶闸管的di/dt耐量。di/dt耐量与初始导通区的面积及该区的热容量有关。硅的比热小，热容量也小，且热导率很低，因此在电流上升时，大部分的热量在导通区聚集，使导通区的温度迅速上升。当温度达到一定临界值时，形成热反馈，温度越高，导通区的体电阻越低，该区将有更大的电流流过，如此循环。在短时间内电流集中在这个温度最高的某个点，从而会产生热斑而使器件损害性失效。为了防止晶闸管因电流上升率过高而损坏，在实际电路中，不要让di/dt值超过最大额定值。

图1-4 逆变器中一只IGBT的开关瞬态过程示意图

图1-5 IGBT开通过程实验波形及电应力计算

图1-6 IGBT关断过程实验波形及电应力计算

晶闸管所能承受的不至于引起误导通的最大电压上升率（du/dt）值称为该晶闸管的du/dt耐量。在晶闸管关断时，晶闸管承受正向电压，且阳极电压上升得很快，晶闸管内部PN结的电容效应引起较大的注入电流，当du/dt大到一定值，就使注入电流足够大，相应的放大系数增大，致使晶闸管导通，这种导通是一种失控现象。因此，在实际电路中，需要根据所使用的晶闸管，采取相应的限制du/dt措施。

需要补充说明的是，电力半导体器件所承受的不单纯是自己产生的电应力，而是变换器中所有器件产生的电应力，尤其是与其构成换流的器件所产生的电应力。比如，在上面的IGBT开通过程中，其开通过程的电流峰值主要是由与之换流的二极管的反向恢复特性造成的；而在IGBT关断的过程中，关断电压峰值部分是由与之换流的二极管的正向恢复特性造成的。也就是说，di/dt和du/dt的分析也体现在变换器中器件之间的相互作用。