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。
           
   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是衡量通态特性好坏的标志性参数，是通态特性本质的反映。
   　　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），立即得到VTO 值、rT值以及VTM 值，选取VTO、rT接近的一组就是均流匹配成功的一组。
   　　
   　　
   
   3 测试结果和计算匹配
   　　
   　　
   　　
   　　应用户要求，尚需给出在ITM=300 A，即ITAV=100 A时的并联均流匹配的分组结果，这是实际使用中的真实的常规情况。为此，以ITM=300 A为中心，分别以150 A和450 A作为新的V1、V2值的测试或计算电流，利用表1 中的450 A的结果，再加150 A的结果，如表2 所列。在表2中的参数上加了角标O，是为了和表1中的参数符号相区别，表2中的数据一目了然，无需多加说明。
   　　
   4 结语
   　　1）由表1 到表2，从I TM=900 A到ITM=300 A，也即从通态伏安特性曲线的高电流段下降到低电流段，反映结电压的门槛电压是降低的，这正是并联均流所需要的。而反映体内压降的斜率电阻是稍许增加的，但这并不影响并联均流。出于并联均流的需要，在产品样本中，给出两套通态门槛电压、通态斜率电阻值是完全必要的，有的国外样本就是这样做的。
   　　2）两个表中的数据都是近期在联均流测试中获得的数据，看上去有些理想化，不够典型，但作为并联均流测试筛选匹配器件的方法是很清晰的。通常认为并联均流的器件必须选同一批次的，因而测试筛选匹配工作容易得多，即免去了开通时间一致的匹配筛选。器件并联均流中的测试（或计算）电流的选取必须由用户的实际电流而定，这是特别要注意的前提条件。
   　　3）上述并联均流的方法是经过多次失败总结而得来的，我们曾采取的方法有：
   　　（1）将注重点放在开通参数上，如确保触发参数一致，然而，当在应用中确保了门极触发脉冲的幅度和宽度后，其对并联均流的影响很小；
   　　（2）将注重点放在通态平均电流IT AV和通态平均压降VT上，按文献[1]提供的均流系数的方法进行匹配筛选，虽然通过了用户的应用要求，但总还不够理想，这是因为通态平均压降VT 反映的是稳定后的平均效果，这样变化因素更多更难控制，不如采用瞬时值优越；
   　　（3）采用额定通态峰值电压VTM值进行匹配筛选，仅以一点值且往往又不是真正的工作点值为筛选参数，所以其局限性更大。
   　　4）一台整机的均流器件的更换，原则上是采用同一批次器件。如果更换为不同厂家的产品，就必须在同一条件下，选通态门槛电压、通态斜率电阻值完全近似的，且还必须测试开通时间并匹配，否则并联均流会失败。这方面的教训也很多。
   　　5）大量器件（如8个及以上）在一条线上并联装配，因磁场作用，往往出现边缘电流集中的问题，由于和现场关系密切，对用户来讲，会认真解决的。
   　　6）实践反复证明，依据用户的要求，采用V1、V2值的测试（或计算）确定通态门槛电压、通态斜率电阻值，进而匹配均流器件是一个方便简捷实用的好办法。按照这样的均流匹配方法，在一定条件下，省掉电抗器，实现了晶闸管的直接并联。
   参考文献
   [1] 肖芳桂. 三万安培晶闸管''三合一'' 整流装置[J]. 电力电子技术，1984，1：16.
[2] 肖芳桂. 多串多并大功率晶闸管变流装置主电路元件的合理设计问题[C]. 第三届电力电子学会论文集，上海. 1986：123-125.
[3] 莫正康. 半导体变流技术[M]. 北京：机械工业出版社，1992：90-92.
[4] 田上芳朗等. 大容量变换装置中多个元件串并联的问题[J]. 国外电力电子技术，1983，2：45-49.
[5] 维捷斯拉夫·本达等. 功率半导体器件- 理论及应用[M]. 吴郁等译. 北京：化学工业出版社，2005：5，319-32.
[6] 陆地.浅谈并联硅器件的均流问题[R].五届一次理事暨报告会，1999，5.
[7] 王正元. 世纪更迭中的电力电子器件[R]. 五届一次理事暨报告会，1999，5.
[8] A Herlet. The Forward Characteristic of Silicon Power Rectifiers at High Current Densities [J]. Solid_State Electoron，1968，11（No.8）717-742.