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(xiàn)[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(rèn)為還有進(jìn)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(jìn)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(fù)電阻溫度系數(shù),而負(fù)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(jìn)行多個電力半導(dǎo)體器件的并聯(lián),就必須認(rèn)真解決均流問題。器件均流問題還可細(xì)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。
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(xiàn)[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(rèn)為還有進(jìn)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(jìn)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(fù)電阻溫度系數(shù),而負(fù)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(jìn)行多個電力半導(dǎo)體器件的并聯(lián),就必須認(rèn)真解決均流問題。器件均流問題還可細(xì)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(rèn)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
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