多個器件并聯(lián)中的勻流匹配問題

0 引言

在電化學(xué)、核聚變以及勵磁等大型變換裝置上，都存在多個電力半導(dǎo)體器件(如整流管、晶閘管以及其它新型電力半導(dǎo)體器件等)的并聯(lián)問題，從線路應(yīng)用的角度，已取得了許多成功的經(jīng)驗[1]~[6]，其中文獻[1]和[6]還從均流系數(shù)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(yīng)用的，注重器件的內(nèi)在性能;從事器件設(shè)計的，注重線路對器件的要求，兩方面的結(jié)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(yīng)用戶的要求，作了一些嘗試，取得了一些經(jīng)驗，這些經(jīng)驗是雙方共同努力的結(jié)晶。本文就是這些點滴嘗試經(jīng)驗的說明。

1 器件均流問題的提出

當(dāng)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(lián);對于一些特殊的應(yīng)用場合，如絕對不允許有因質(zhì)量問題而出現(xiàn)停電和設(shè)備停止運轉(zhuǎn)時，往往也采用多個器件并聯(lián)，這樣即使有10%~20%的器件，或支路出現(xiàn)問題，也能確保運轉(zhuǎn)工作正常進行。

整流二極管和晶閘管等雙極性器件，其通態(tài)伏安特性均表現(xiàn)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(shù)，而負電阻溫度系數(shù)的器件是很不利于并聯(lián)的，這就更增加了并聯(lián)均流的難度[7]。

要進行多個電力半導(dǎo)體器件的并聯(lián)，就必須認真解決均流問題。器件均流問題還可細分為動態(tài)均流和穩(wěn)態(tài)均流。

所謂動態(tài)均流是指由斷到開，或由開到關(guān)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(tài)到通態(tài)解決的是同時觸發(fā)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(nèi)，而整個開通延遲時間才是幾滋s，因此要保證動態(tài)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(fā)脈沖的幅度(例如應(yīng)用時給定的觸發(fā)電流Igm等于器件觸發(fā)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(tài)均流是有保證的。

所謂穩(wěn)態(tài)均流就是通態(tài)均流，也是最主要的均流問題。站在應(yīng)用的角度，主要的均流措施有小電流應(yīng)用中的電阻均流，大電流應(yīng)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(xiàn)象，是由于器件的不同通態(tài)參數(shù)引起的，只有把握好關(guān)鍵的器件通態(tài)參數(shù)這一關(guān)，才是抓住了并聯(lián)均流的主要矛盾。這一現(xiàn)象如圖1所示。

2 通態(tài)理論和基本特性參數(shù)

多數(shù)電力半導(dǎo)體器件的通態(tài)伏安特性曲線都可用發(fā)展了的赫萊特(Herlet)關(guān)系式[8]來表征，即瞬時通態(tài)電壓VTM表示通態(tài)結(jié)壓降、通態(tài)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(tài)結(jié)壓降Vj、通態(tài)體壓降Vm公式

公式(3)是一個復(fù)雜的函數(shù)形式，通態(tài)電流對通態(tài)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(shù)形式很復(fù)雜，但在充分考慮載流子間散射效應(yīng)、俄歇復(fù)合效應(yīng)、端區(qū)復(fù)合效應(yīng)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(tài)伏安特性曲線，如果并聯(lián)器件都取接近的通態(tài)伏安特性曲線，那么均流問題會解決得很好。

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

式中4 個常數(shù)A、B 、C、D 完全可以用4 個測試點的數(shù)據(jù)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(tài)參數(shù)的精確數(shù)據(jù)和實測結(jié)果，但還不方便用于并聯(lián)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(guī)范的解決辦法。利用圖2，簡單介紹這種處理問題的規(guī)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(tài)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(guān)系式。

通態(tài)峰值電壓

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

幾乎所有電力電子的應(yīng)用書籍在并聯(lián)均流上，都有一句“盡量選用特性參數(shù)一致的器件”。器件參數(shù)那么多，僅通態(tài)參數(shù)就有幾十個，究竟如何選取呢?有的選取以通態(tài)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(tài)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(jù)用戶實際工作電流，選取通態(tài)門檻電壓VTO值、通態(tài)斜率電阻rT值一致才是并聯(lián)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)，立即得到VTO 值、rT值以及VTM 值，選取VTO、rT接近的一組就是均流匹配成功的一組。

3 測試結(jié)果和計算匹配

應(yīng)用戶要求，尚需給出在ITM=300 A，即ITAV=100 A時的并聯(lián)均流匹配的分組結(jié)果，這是實際使用中的真實的常規(guī)情況。為此，以ITM=300 A為中心，分別以150 A和450 A作為新的V1、V2值的測試或計算電流，利用表1 中的450 A的結(jié)果，再加150 A的結(jié)果，如表2 所列。在表2中的參數(shù)上加了角標(biāo)O，是為了和表1中的參數(shù)符號相區(qū)別，表2中的數(shù)據(jù)一目了然，無需多加說明。

4 結(jié)語

1)由表1 到表2，從I TM=900 A到ITM=300 A，

也即從通態(tài)伏安特性曲線的高電流段下降到低電流段，反映結(jié)電壓的門檻電壓是降低的，這正是并聯(lián)均流所需要的。而反映體內(nèi)壓降的斜率電阻是稍許增加的，但這并不影響并聯(lián)均流。出于并聯(lián)均流的需要，在產(chǎn)品樣本中，給出兩套通態(tài)門檻電壓、通態(tài)斜率電阻值是完全必要的，有的國外樣本就是這樣做的。

2)兩個表中的數(shù)據(jù)都是近期在并聯(lián)均流測試中獲得的數(shù)據(jù)，看上去有些理想化，不夠典型，但作為并聯(lián)均流測試篩選匹配器件的方法是很清晰的。通常認為并聯(lián)均流的器件必須選同一批次的，因而測試篩選匹配工作容易得多，即免去了開通時間一致的匹配篩選。器件并聯(lián)均流中的測試(或計算)電流的選取必須由用戶的實際電流而定，這是特別要注意的前提條件。

3)上述并聯(lián)均流的方法是經(jīng)過多次失敗總結(jié)而得來的，我們曾采取的方法有：

(1)將注重點放在開通參數(shù)上，如確保觸發(fā)參數(shù)一致，然而，當(dāng)在應(yīng)用中確保了門極觸發(fā)脈沖的幅度和寬度后，其對并聯(lián)均流的影響很小;

(2)將注重點放在通態(tài)平均電流IT AV和通態(tài)平均壓降VT上，按文獻[1]提供的均流系數(shù)的方法進行匹配篩選，雖然通過了用戶的應(yīng)用要求，但總還不夠理想，這是因為通態(tài)平均壓降VT 反映的是穩(wěn)定后的平均效果，這樣變化因素更多更難控制，不如采用瞬時值優(yōu)越;

(3)采用額定通態(tài)峰值電壓VTM值進行匹配篩選，僅以一點值且往往又不是真正的工作點值為篩選參數(shù)，所以其局限性更大。

4)一臺整機的均流器件的更換，原則上是采用同一批次器件。如果更換為不同廠家的產(chǎn)品，就必須在同一條件下，選通態(tài)門檻電壓、通態(tài)斜率電阻值完全近似的，且還必須測試開通時間并匹配，否則并聯(lián)均流會失敗。這方面的教訓(xùn)也很多。

5)大量器件(如8個及以上)在一條線上并聯(lián)裝配，因磁場作用，往往出現(xiàn)邊緣電流集中的問題，由于和現(xiàn)場關(guān)系密切，對用戶來講，會認真解決的。

6)實踐反復(fù)證明，依據(jù)用戶的要求，采用V1、V2值的測試(或計算)確定通態(tài)門檻電壓、通態(tài)斜率電阻值，進而匹配均流器件是一個方便簡捷實用的好辦法。按照這樣的均流匹配方法，在一定條件下，省掉電抗器，實現(xiàn)了晶閘管的直接并聯(lián)。