功率半導(dǎo)體器件的直接均流技術(shù)

0 引言

無論是基礎(chǔ)功率半導(dǎo)體器件，如：整流二極管(Rectifier diodes 簡(jiǎn)稱RD，含快恢復(fù)整流二極管FRD)、晶閘管(SCR，含快速、高頻晶閘管)、雙向晶閘管(Triac)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT)等，還是新型功率半導(dǎo)體器件，如：門極關(guān)斷晶閘管(GTO)、門極換流晶閘管(GCT)、集成門極換流晶閘管(IGCT)等，甚至是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，都屬于雙極注入器件，所以它們的通態(tài)特性最后都可以歸結(jié)到PiN功率二極管的通態(tài)特性上。

在實(shí)際應(yīng)用中，往往有多個(gè)器件的并聯(lián)問題，而并聯(lián)的核心就是均流，說到底是一個(gè)PiN 功率二極管的通態(tài)特性問題。其實(shí)，將PiN功率二極管的通態(tài)特性認(rèn)真研究清楚了，不用任何特殊均流措施的直接均流就能解決均流問題。把PiN 功率二極管的通態(tài)特性研究清楚了，直接均流問題也就不難解決，這樣，推廣PiN功率二極管的直接均流技術(shù)到FRD、SCR，甚至是GTO、GCT、IGCT 等器件的直接并聯(lián)均流處理中，具體應(yīng)用時(shí)只需將著眼點(diǎn)集中到器件的細(xì)微差別上就足夠了。然而國(guó)內(nèi)的許多現(xiàn)實(shí)令人遺憾，在一些人的眼里晶閘管我們都早已研究過了，哪里還談得上再研究最簡(jiǎn)單的PiN功率二極管呢?

然而，國(guó)際上先進(jìn)的半導(dǎo)體廠家都投入巨大資金重新研究新型功率二極管[1]，其道理在哪里呢?

1)雖然說前期蓬勃發(fā)展的高頻自關(guān)斷器件的研究(即所謂安全運(yùn)行區(qū)的問題)已很有成果(如成功開發(fā)并大規(guī)模應(yīng)用了IGBT 和IGCT 等)，然而所有這些新型功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用絕對(duì)離不開PiN功率二極管的發(fā)展(如超快軟恢復(fù)功率二極管的研發(fā)和應(yīng)用等)，這是國(guó)際上先進(jìn)的半導(dǎo)體廠家投入巨大資金重新研究新型功率二極管的主要原因。

2)其次，許多新型功率二極管又獨(dú)自踏入當(dāng)前的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)中，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代基礎(chǔ)工業(yè)的進(jìn)程，如電阻型電焊機(jī)專用超大電流密度整流二極管對(duì)電焊機(jī)行業(yè)、高頻電鍍專用高頻整流二極管對(duì)電化學(xué)行業(yè)、車用雪崩整流二極管對(duì)汽車行業(yè)等。

國(guó)際電力電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展的實(shí)踐表明，花大氣力出重拳跟上當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的步伐，重新開展基礎(chǔ)功率半導(dǎo)體新器件的研究是多么必要。我們對(duì)功率半導(dǎo)體器件的直接均流技術(shù)的研究，就是在對(duì)PiN功率二極管的直接均流技術(shù)研究的基礎(chǔ)上展開的，它也是這個(gè)研究洪流中的有實(shí)際意義的一部分。

1 并聯(lián)均流中問題的回顧

以往對(duì)功率半導(dǎo)體器件并聯(lián)均流技術(shù)的研究多半是由整機(jī)裝置廠進(jìn)行的。這種研究方式要求的電流容量要么太大，要么是裝置可靠性高，并且不允許中途停電等，因此都必須采用多個(gè)器件并聯(lián)的方式[2]。并聯(lián)均流技術(shù)主要解決的是電流平衡度的問題，即[3][5]：

1)要求并聯(lián)器件同時(shí)觸發(fā)開通;

2)要求電流上升或下降時(shí)的電流平衡度;

3)解決正常導(dǎo)通時(shí)的電流平衡度，這是并聯(lián)均流的主要部分;

4)必須認(rèn)真解決好母線、器件、柜體配置及相應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)電流平衡度的影響。

一般情況下，由裝置整機(jī)廠給出的處理并聯(lián)均流的主要方法如下。[3]~[5]

1)采用寬(如100 滋s)、陡(如dIg/dt>1 A/滋s)、高幅(如實(shí)際給定的觸發(fā)電流IGM>5IGT)門極脈沖[4]，保證了觸發(fā)開通一致，這樣動(dòng)態(tài)均流問題基本解決，剩下的就是解決穩(wěn)態(tài)均流問題。

2)強(qiáng)迫均流方法一如圖1(a)所示，串聯(lián)附加電阻器均流，方法簡(jiǎn)單，適宜小功率應(yīng)用。

3)強(qiáng)迫均流方法二如圖1(b)所示，串聯(lián)附加電感均流，適宜大中功率，特別是中頻應(yīng)用。

4)強(qiáng)迫均流方法三，如圖1(c)所示，通過均流互感器(或均衡變壓器單獨(dú)繞組)均流，這是普遍采用的比較好的強(qiáng)迫均流方法。

上述的三種強(qiáng)迫均流方法都是以增加功耗、體積、重量和造價(jià)為前提來達(dá)到均流效果的措施，其中的強(qiáng)迫均流方法三為現(xiàn)在普遍采用并保留的方法。

5)要求各并聯(lián)器件門檻電壓低[3]，這個(gè)要求是合理的，因?yàn)槌跏茧娏鲗?dǎo)通時(shí)的壓降比門檻電壓僅大零點(diǎn)幾伏，如果門檻電壓過大就有可能沒有電流流過，這就更談不到均流了。

6)匹配小電流區(qū)的通態(tài)伏安特性，這是必要的[5]，是對(duì)5)所要求的進(jìn)一步的匹配。

7)強(qiáng)烈希望器件廠家給出器件匹配，但提不出明確要求。

上述經(jīng)驗(yàn)盡管還在發(fā)展中，但已是很寶貴的了，它集中體現(xiàn)在國(guó)際整流二極管標(biāo)準(zhǔn)5.10.1.2中“為在并聯(lián)聯(lián)結(jié)中得到合適的電流分配，可采用下列一種或多種方法：

1)制造廠匹配好正向特性;

2)每只二極管上串聯(lián)附加的電阻或電抗;

3)使各變壓器均衡或各變壓器單獨(dú)繞組;

4)將器件安裝在一個(gè)公共的散熱器上，以使溫度均勻。”[6]

其中第一項(xiàng)就是直接均流技術(shù)。結(jié)合負(fù)溫度特性器件不適合并聯(lián)的特征[7]，在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上，經(jīng)多年研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，我們嘗試著給出以下功率半導(dǎo)體器件的直接均流技術(shù)。

2 直接均流技術(shù)

直接均流技術(shù)的內(nèi)容如下。

1)用發(fā)展的Herlet(8)公式組，在計(jì)算機(jī)幫助下給出室溫和額定結(jié)溫Tjm(嚴(yán)格講是等效結(jié)溫Tvj)下的伏安特性曲線，如圖2 所示。

并不適合并聯(lián)，廠家也不敢選用;交點(diǎn)處顯然是最理想的并聯(lián)位置;交點(diǎn)以下區(qū)域是典型的負(fù)溫度特性區(qū)，離交點(diǎn)越遠(yuǎn)，負(fù)溫度特性越重，越不適宜并聯(lián)，說明并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，余量太大是不妥當(dāng)?shù)摹Ｋ?，選交點(diǎn)及以下的小范圍內(nèi)的點(diǎn)是妥當(dāng)?shù)摹?