多个器件并联中的匀流匹配问题

0 引言

　　在电化学、核聚变以及励磁等大型变换装置上，都存在多个（如整流管、晶闸管以及其它新型等）的并联问题，从线路应用的角度，已取得了许多成功的经验[1]~[6]，其中文献[1]和[6]还从均流系数的角度，给出了对器件的要求。然而从器件及其筛选匹配方面，我们认为还有进一步的探讨和研究的必要。从事器件应用的，注重器件的内在性能；从事器件设计的，注重线路对器件的要求，两方面的结合是提升器件性能的最近之路。近年来，我们在解决器件的上，应用户的要求，作了一些尝试，取得了一些经验，这些经验是双方共同努力的结晶。本文就是这些点滴尝试经验的说明。

1 器件的提出

　　当输出电流容量的要求高于单个器件的最大可用电流时，就必须采用多个器件并联；对于一些特殊的应用场合，如绝对不允许有因质量问题而出现停电和设备停止运转时，往往也采用多个器件并联，这样即使有10%~20%的器件，或支路出现问题，也能确保运转工作正常进行。

　　整流二极管和晶闸管等双极性器件，其通态伏安特性均表现出温度升高而压降曲线减小的特点，即所谓负电阻温度系数，而负电阻温度系数的器件是很不利于并联的，这就更增加了并联均流的难度[7]。

　　要进行多个的并联，就必须认真解决。器件均流问题还可细分为动态均流和稳态均流。

　　所谓动态均流是指由断到开，或由开到关情况下的均流。前者是主要的，后者往往可以不做考虑。由断态到通态解决的是同时触发开通的问题，以晶闸管为例，只要是同一批次的器件，开通延迟时间的误差都在1滋s之内，而整个开通延迟时间才是几滋s，因此要保证动态均流，就要注意：

　　1）将门槛电压VTO尽量选低些[4]；

　　2）确保门极触发脉冲的幅度（例如应用时给定的触发电流Igm等于器件触发电流Ig的5倍）和宽度（例如100 滋s），特别是脉冲前沿的陡度（例如0.1滋s）[5]，则动态均流是有保证的。

　　所谓稳态均流就是通态均流，也是最主要的均流问题。站在应用的角度，主要的均流措施有小电流应用中的电阻均流，大电流应用中的电抗器均流，总之，都是被动的并以额外附加一些电功率为前提。

　　不言而喻，之所以有不均流现象，是由于器件的不同通态参数引起的，只有把握好关键的器件通态参数这一关，才是抓住了并联均流的主要矛盾。这一现象如图1所示。

0 引言

　　在电化学、核聚变以及励磁等大型变换装置上，都存在多个电力半导体器件（如整流管、晶闸管以及其它新型电力半导体器件等）的并联问题，从线路应用的角度，已取得了许多成功的经验[1]~[6]，其中文献[1]和[6]还从均流系数的角度，给出了对器件的要求。然而从器件及其筛选匹配方面，我们认为还有进一步的探讨和研究的必要。从事器件应用的，注重器件的内在性能；从事器件设计的，注重线路对器件的要求，两方面的结合是提升器件性能的最近之路。近年来，我们在解决器件的均流问题上，应用户的要求，作了一些尝试，取得了一些经验，这些经验是双方共同努力的结晶。本文就是这些点滴尝试经验的说明。

1 器件均流问题的提出

　　当输出电流容量的要求高于单个器件的最大可用电流时，就必须采用多个器件并联；对于一些特殊的应用场合，如绝对不允许有因质量问题而出现停电和设备停止运转时，往往也采用多个器件并联，这样即使有10%~20%的器件，或支路出现问题，也能确保运转工作正常进行。

　　整流二极管和晶闸管等双极性器件，其通态伏安特性均表现出温度升高而压降曲线减小的特点，即所谓负电阻温度系数，而负电阻温度系数的器件是很不利于并联的，这就更增加了并联均流的难度[7]。

　　要进行多个电力半导体器件的并联，就必须认真解决均流问题。器件均流问题还可细分为动态均流和稳态均流。

　　所谓动态均流是指由断到开，或由开到关情况下的均流。前者是主要的，后者往往可以不做考虑。由断态到通态解决的是同时触发开通的问题，以晶闸管为例，只要是同一批次的器件，开通延迟时间的误差都在1滋s之内，而整个开通延迟时间才是几滋s，因此要保证动态均流，就要注意：

　　1）将门槛电压VTO尽量选低些[4]；

　　2）确保门极触发脉冲的幅度（例如应用时给定的触发电流Igm等于器件触发电流Ig的5倍）和宽度（例如100 滋s），特别是脉冲前沿的陡度（例如0.1滋s）[5]，则动态均流是有保证的。

　　所谓稳态均流就是通态均流，也是最主要的均流问题。站在应用的角度，主要的均流措施有小电流应用中的电阻均流，大电流应用中的电抗器均流，总之，都是被动的并以额外附加一些电功率为前提。

　　不言而喻，之所以有不均流现象，是由于器件的不同通态参数引起的，只有把握好关键的器件通态参数这一关，才是抓住了并联均流的主要矛盾。这一现象如图1所示。

2 通态理论和基本特性参数

　　多数电力半导体器件的通态伏安特性曲线都可用发展了的赫莱特（Herlet）关系式[8]来表征，即瞬时通态电压VTM表示通态结压降、通态体压降、以及接触压降之和。对于一个制作精良的器件，一般可以忽略接触压降（接触压降是符合欧姆定律的，即使制作水平差，也很容易将它筛选出去），由通态结压降Vj、通态体压降Vm公式

　　公式（3）是一个复杂的函数形式，通态电流对通态电压的重大影响是隐含在其各个参量上的。

　　尽管公式（3）的函数形式很复杂，但在充分考虑载流子间散射效应、俄歇复合效应、端区复合效应后，按照一定的程序，完全可以计算出VTM，并且是理论符合实际的通态伏安特性曲线，如果并联器件都取接近的通态伏安特性曲线，那么均流问题会解决得很好。

　　还可以将复杂的公式（3）表征的函数，用最简单的函数形式，如0、0.5、1 次幂指数和一个简单对数来近似描述，写成如下形式

　　式中4 个常数A、B 、C、D 完全可以用4 个测试点的数据代入，通过解行列式而得到VTM。

　　很显然，运用公式（3）或（4）可以得到通态参数的精确数据和实测结果，但还不方便用于并联均流匹配工作。

　　为此在器件额定工作点附近做直线近似，寻找一个规范的解决办法。利用图2，简单介绍这种处理问题的规范的方法。

　　图2 中，V1 是0.5ITM 下的峰值电压，V2 是1.5ITM 下的峰值电压，VTM 是ITM 下的峰值电压，ITM为通态峰值电流，ITM=3（或仔）IT AV，IT AV是正半波平均电流。

　　由图2很容易得到下式关系式。

　　通态峰值电压

　　这里，通态门槛电压VTO，是由通态近似直线与电压轴的交点所确定的通态电压值；通态斜率电阻rT，是由通态近似直线的斜率计算出的电阻值。通态门槛电压VTO，通态斜率电阻rT是衡量好坏的标志性参数，是本质的反映。

　　几乎所有电力电子的应用书籍在并联均流上，都有一句“尽量选用特性参数一致的器件”。器件参数那么多，仅通态参数就有几十个，究竟如何选取呢？有的选取以通态平均压降VT一致作为均流匹配的原则，有的选取以额定通态峰值电压VTM一致作为均流匹配的原则，实践表明其局限性都很大。我们认为依据用户实际工作电流，选取通态门槛电压VTO值、通态斜率电阻rT值一致才是并联器件均流的正确匹配原则。

　　用公式（3）或（4）计算，或者直接用峰值电压测试仪测出V1、V2 值，代入公式（5）~（7），立即得