系统安全工作区是指基于电力半导体器件的电力电子装置的安全工作区，它与电力半导体器件的安全工作区有所不同。系统安全工作区主要描述的是装置中开关器件的安全工作区与装置中其他元素之间的关系，它的作用是保证整个装置的安全运行。电力电子装置包括了功率器件、主电路结构、控制方式以及散热冷却等多方面的元素，对应的有器件安全工作区、器件失效模型、瞬态换流回路杂散参数、脉冲延迟与畸变，以及系统的损耗发热这样几个方面的影响。系统安全工作区受到装置中电力半导体器件的特性、实际电路的参数、系统温度等多方面因素的影响。在装置电路参数一定的情况下，系统安全工作区由装置允许的运行工作点（由特征电压和特征电流表征）的集合组成，并且它是系统运行温度和系统温升循环次数，以及du/dt、di/dt的函数，即系统安全工作区可以写成如下式所示的表达式：

系统安全工作区的定义：在考虑装置中各部分因素的影响下，装置可安全运行的最大区域，这一区域由装置的工作点来表征。基于系统安全工作区，可以在其内部划定变换器的实际运行区，该区域具有简洁直接的外观，并能直接用于变换器设计、分析和优化。

在电压型变换器中，采用变换器的直流母线输出电流i_DC和直流母线电压v_DC来表征变换器的工作点，基于变换器的实际工作状态确定系统安全工作区的范围。以变换器中一个逆变桥臂为例，分析器件在关断过程中所承受的电应力，如图5-51所示。其中，C_DC为直流母线电容，L_σ和L_DC分别为器件内部杂散电感和直流母线的杂散电感。

图5-51 变换器中的基本电路

采样电路在t时刻对直流母线电压、电流进行采样，器件在t+Δt时刻执行关断动作，即Δt为采样时刻到器件执行关断动作之间的延迟。在t时刻器件处于开通状态，此时变换器的工作点为[u_DC（t），i_DC（t）]，即系统安全工作区的特征值为u_DC（t），i_DC（t）。

在t+Δt时刻，系统安全工作区的特征值为

其中，di_DC（t）/dt为变换器中器件通态电流的上升率，du_CE（t+Δt）/dt为关断过程IGBT集射极电压的上升率，C_CE和C_CG分别为IGBT的集射极电容和集栅极电容，du_DC（t）/dt为负载对直流母线充电情况下直流母线电压的泵升速度。

器件在关断过程中所承受的电应力不能超出其反偏安全工作区的边界，即

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其中，T为系统运行温度，di_C（t+Δt）/dt为IGBT关断过程电流的上升率，实际为负值；L_DC为直流母排杂散电感，L_σ为器件内部的杂散电感，I_lim（T）和U_lim（T）分别为IGBT器件能够承受的极限电流和极限电压，二者是关于系统温度的变化量，取决于器件的反偏安全工作区。

整理上述各式，可以得到系统安全工作区的数学描述如下：

显然，系统安全工作区的确定要基于开关器件的安全运行，它与开关器件的特性、实际电路的参数、系统信号的延迟有着非常密切的关系。系统运行温度和系统温升循环次数对系统安全工作区的影响，在二者对器件反偏安全工作区边界的影响中得到体现。

图5-52所示为一台实际的55kW基于IGBT两电平变换器所采用的系统安全工作区。虚线部分为装置中应用IGBT的硅片安全工作区，浅色区域为IGBT器件安全工作区，深色区域为逆变器的安全工作区，即系统安全工作区。图中两条点画线实际上是基于简化后的边界，考虑到系统温度上升后器件能够承受的电压、电流会发生变化，在点划线圈定的区域内部划定了矩形系统安全工作区，即系统实际运行区。

图5-52 两电平变换器的系统安全工作区

其中，IGBT的安全工作区以集射极电压U_CE为横轴，以可重复关断电流I_C为纵轴来表征；系统安全工作区以直流母线电压U_DC为横轴，以直流母线电流I_DC为纵轴来表征。限定系统安全工作区的几条边界分别为母线过压边界、母线欠压边界和直流母线输出过流边界，基于此系统安全工作区设计并实现变换器正常运行的基本保护方案。

对于电力电子装置来讲，电力半导体器件是实现电量变换的核心器件，因此系统安全工作区的建立是以器件安全工作区为基础。半导体器件的实际工作点逸出其自身安全工作区并不意味着它一定失效，而是在这种情况下器件具有相对较高的失效率，失效的风险比较大。因此，安全工作区本身具有统计意义。器件安全工作区与系统安全工作区都是统计意义上的限定区域，而非某元件个体的安全工作区。

器件或设备的损坏大部分发生在安全工作区溢出的情况下，但在运行于安全工作区内发生损坏也是可能的。系统安全工作区不能抗拒设备的自然老化和元器件的个体缺陷，因此系统实际运行区的设计需考虑产品使用年限与设计裕量之间的平衡，系统温升循环次数在这里得到了恰当的体现。除此之外，系统实际运行区的设计还需要考虑其他组件的工作条件限制，还需要充分考虑统计意义上的系统可靠性。