多個器件并聯中的勻流匹配問題

0 引言

　　在電化學、核聚變以及勵磁等大型變換裝置上，都存在多個電力半導體器件（如整流管、晶閘管以及其它新型電力半導體器件等）的并聯問題，從線路應用的角度，已取得了許多成功的經驗[1]~[6]，其中文獻[1]和[6]還從均流系數的角度，給出了對器件的要求。然而從器件及其篩選匹配方面，我們認為還有進一步的探討和研究的必要。從事器件應用的，注重器件的內在性能；從事器件設計的，注重線路對器件的要求，兩方面的結合是提升器件性能的最近之路。近年來，我們在解決器件的均流問題上，應用戶的要求，作了一些嘗試，取得了一些經驗，這些經驗是雙方共同努力的結晶。本文就是這些點滴嘗試經驗的說明。

1 器件均流問題的提出

　　當輸出電流容量的要求高于單個器件的最大可用電流時，就必須采用多個器件并聯；對于一些特殊的應用場合，如絕對不允許有因質量問題而出現停電和設備停止運轉時，往往也采用多個器件并聯，這樣即使有10%~20%的器件，或支路出現問題，也能確保運轉工作正常進行。

　　整流二極管和晶閘管等雙極性器件，其通態伏安特性均表現出溫度升高而壓降曲線減小的特點，即所謂負電阻溫度系數，而負電阻溫度系數的器件是很不利于并聯的，這就更增加了并聯均流的難度[7]。

　　要進行多個電力半導體器件的并聯，就必須認真解決均流問題。器件均流問題還可細分為動態均流和穩態均流。

　　所謂動態均流是指由斷到開，或由開到關情況下的均流。前者是主要的，后者往往可以不做考慮。由斷態到通態解決的是同時觸發開通的問題，以晶閘管為例，只要是同一批次的器件，開通延遲時間的誤差都在1滋s之內，而整個開通延遲時間才是幾滋s，因此要保證動態均流，就要注意：

　　1）將門檻電壓VTO盡量選低些[4]；

　　2）確保門極觸發脈沖的幅度（例如應用時給定的觸發電流Igm等于器件觸發電流Ig的5倍）和寬度（例如100 滋s），特別是脈沖前沿的陡度（例如0.1滋s）[5]，則動態均流是有保證的。

　　所謂穩態均流就是通態均流，也是最主要的均流問題。站在應用的角度，主要的均流措施有小電流應用中的電阻均流，大電流應用中的電抗器均流，總之，都是被動的并以額外附加一些電功率為前提。

　　不言而喻，之所以有不均流現象，是由于器件的不同通態參數引起的，只有把握好關鍵的器件通態參數這一關，才是抓住了并聯均流的主要矛盾。這一現象如圖1所示。

0 引言

　　在電化學、核聚變以及勵磁等大型變換裝置上，都存在多個電力半導體器件（如整流管、晶閘管以及其它新型電力半導體器件等）的并聯問題，從線路應用的角度，已取得了許多成功的經驗[1]~[6]，其中文獻[1]和[6]還從均流系數的角度，給出了對器件的要求。然而從器件及其篩選匹配方面，我們認為還有進一步的探討和研究的必要。從事器件應用的，注重器件的內在性能；從事器件設計的，注重線路對器件的要求，兩方面的結合是提升器件性能的最近之路。近年來，我們在解決器件的均流問題上，應用戶的要求，作了一些嘗試，取得了一些經驗，這些經驗是雙方共同努力的結晶。本文就是這些點滴嘗試經驗的說明。

1 器件均流問題的提出

　　當輸出電流容量的要求高于單個器件的最大可用電流時，就必須采用多個器件并聯；對于一些特殊的應用場合，如絕對不允許有因質量問題而出現停電和設備停止運轉時，往往也采用多個器件并聯，這樣即使有10%~20%的器件，或支路出現問題，也能確保運轉工作正常進行。

　　整流二極管和晶閘管等雙極性器件，其通態伏安特性均表現出溫度升高而壓降曲線減小的特點，即所謂負電阻溫度系數，而負電阻溫度系數的器件是很不利于并聯的，這就更增加了并聯均流的難度[7]。

　　要進行多個電力半導體器件的并聯，就必須認真解決均流問題。器件均流問題還可細分為動態均流和穩態均流。

　　所謂動態均流是指由斷到開，或由開到關情況下的均流。前者是主要的，后者往往可以不做考慮。由斷態到通態解決的是同時觸發開通的問題，以晶閘管為例，只要是同一批次的器件，開通延遲時間的誤差都在1滋s之內，而整個開通延遲時間才是幾滋s，因此要保證動態均流，就要注意：

　　1）將門檻電壓VTO盡量選低些[4]；

　　2）確保門極觸發脈沖的幅度（例如應用時給定的觸發電流Igm等于器件觸發電流Ig的5倍）和寬度（例如100 滋s），特別是脈沖前沿的陡度（例如0.1滋s）[5]，則動態均流是有保證的。

　　所謂穩態均流就是通態均流，也是最主要的均流問題。站在應用的角度，主要的均流措施有小電流應用中的電阻均流，大電流應用中的電抗器均流，總之，都是被動的并以額外附加一些電功率為前提。

　　不言而喻，之所以有不均流現象，是由于器件的不同通態參數引起的，只有把握好關鍵的器件通態參數這一關，才是抓住了并聯均流的主要矛盾。這一現象如圖1所示。

2 通態理論和基本特性參數

　　多數電力半導體器件的通態伏安特性曲線都可用發展了的赫萊特（Herlet）關系式[8]來表征，即瞬時通態電壓VTM表示通態結壓降、通態體壓降、以及接觸壓降之和。對于一個制作精良的器件，一般可以忽略接觸壓降（接觸壓降是符合歐姆定律的，即使制作水平差，也很容易將它篩選出去），由通態結壓降Vj、通態體壓降Vm公式

　　公式（3）是一個復雜的函數形式，通態電流對通態電壓的重大影響是隱含在其各個參量上的。

　　盡管公式（3）的函數形式很復雜，但在充分考慮載流子間散射效應、俄歇復合效應、端區復合效應后，按照一定的程序，完全可以計算出VTM，并且是理論符合實際的通態伏安特性曲線，如果并聯器件都取接近的通態伏安特性曲線，那么均流問題會解決得很好。

　　還可以將復雜的公式（3）表征的函數，用最簡單的函數形式，如0、0.5、1 次冪指數和一個簡單對數來近似描述，寫成如下形式

　　式中4 個常數A、B 、C、D 完全可以用4 個測試點的數據代入，通過解行列式而得到VTM。

　　很顯然，運用公式（3）或（4）可以得到通態參數的精確數據和實測結果，但還不方便用于并聯均流匹配工作。

　　為此在器件額定工作點附近做直線近似，尋找一個規范的解決辦法。利用圖2，簡單介紹這種處理問題的規范的方法。

　　圖2 中，V1 是0.5ITM 下的峰值電壓，V2 是1.5ITM 下的峰值電壓，VTM 是ITM 下的峰值電壓，ITM為通態峰值電流，ITM=3（或仔）IT AV，IT AV是正半波平均電流。

　　由圖2很容易得到下式關系式。

　　通態峰值電壓

　　這里，通態門檻電壓VTO，是由通態近似直線與電壓軸的交點所確定的通態電壓值；通態斜率電阻rT，是由通態近似直線的斜率計算出的電阻值。通態門檻電壓VTO，通態斜率電阻rT是衡量通態特性好壞的標志性參數，是通態特性本質的反映。

　　幾乎所有電力電子的應用書籍在并聯均流上，都有一句“盡量選用特性參數一致的器件”。器件參數那么多，僅通態參數就有幾十個，究竟如何選取呢？有的選取以通態平均壓降VT一致作為均流匹配的原則，有的選取以額定通態峰值電壓VTM一致作為均流匹配的原則，實踐表明其局限性都很大。我們認為依據用戶實際工作電流，選取通態門檻電壓VTO值、通態斜率電阻rT值一致才是并聯器件均流的正確匹配原則。

　　用公式（3）或（4）計算，或者直接用峰值電壓測試儀測出V1、V2 值，代入公式（5）~（7），立即得