功率半導體器件的直接均流技術

0 引言

無論是基礎功率半導體器件，如：整流二極管(Rectifier diodes 簡稱RD，含快恢復整流二極管FRD)、晶閘管(SCR，含快速、高頻晶閘管)、雙向晶閘管(Triac)、逆導晶閘管(RCT)等，還是新型功率半導體器件，如：門極關斷晶閘管(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到PiN功率二極管的通態(tài)特性上。

在實際應用中，往往有多個器件的并聯(lián)問題，而并聯(lián)的核心就是均流，說到底是一個PiN 功率二極管的通態(tài)特性問題。其實，將PiN功率二極管的通態(tài)特性認真研究清楚了，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，具體應用時只需將著眼點集中到器件的細微差別上就足夠了。然而國內(nèi)的許多現(xiàn)實令人遺憾，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單的PiN功率二極管呢?

然而，國際上先進的半導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)展的高頻自關斷器件的研究(即所謂安全運行區(qū)的問題)已很有成果(如成功開發(fā)并大規(guī)模應用了IGBT 和IGCT 等)，然而所有這些新型功率半導體器件的應用絕對離不開PiN功率二極管的發(fā)展(如超快軟恢復功率二極管的研發(fā)和應用等)，這是國際上先進的半導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自踏入當前的先進科學技術中，極大地推動了現(xiàn)代基礎工業(yè)的進程，如電阻型電焊機專用超大電流密度整流二極管對電焊機行業(yè)、高頻電鍍專用高頻整流二極管對電化學行業(yè)、車用雪崩整流二極管對汽車行業(yè)等。

國際電力電子科學技術發(fā)展的實踐表明，花大氣力出重拳跟上當前國際先進科學技術的步伐，重新開展基礎功率半導體新器件的研究是多么必要。我們對功率半導體器件的直接均流技術的研究，就是在對PiN功率二極管的直接均流技術研究的基礎上展開的，它也是這個研究洪流中的有實際意義的一部分。

1 并聯(lián)均流中問題的回顧

以往對功率半導體器件并聯(lián)均流技術的研究多半是由整機裝置廠進行的。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器件并聯(lián)的方式[2]。并聯(lián)均流技術主要解決的是電流平衡度的問題，即[3][5]：

1)要求并聯(lián)器件同時觸發(fā)開通;

2)要求電流上升或下降時的電流平衡度;

3)解決正常導通時的電流平衡度，這是并聯(lián)均流的主要部分;

4)必須認真解決好母線、器件、柜體配置及相應磁場對電流平衡度的影響。

一般情況下，由裝置整機廠給出的處理并聯(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，方法簡單，適宜小功率應用。

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

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

上述的三種強迫均流方法都是以增加功耗、體積、重量和造價為前提來達到均流效果的措施，其中的強迫均流方法三為現(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]，這個要求是合理的，因為初始電流導通時的壓降比門檻電壓僅大零點幾伏，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5)所要求的進一步的匹配。

7)強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)驗盡管還在發(fā)展中，但已是很寶貴的了，它集中體現(xiàn)在國際整流二極管標準5.10.1.2中“為在并聯(lián)聯(lián)結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繞組;

4)將器件安裝在一個公共的散熱器上，以使溫度均勻。”[6]

其中第一項就是直接均流技術。結合負溫度特性器件不適合并聯(lián)的特征[7]，在文獻[2]的基礎上，經(jīng)多年研究和現(xiàn)場試驗，我們嘗試著給出以下功率半導體器件的直接均流技術。

2 直接均流技術

直接均流技術的內(nèi)容如下。

1)用發(fā)展的Herlet(8)公式組，在計算機幫助下給出室溫和額定結溫Tjm(嚴格講是等效結溫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;交點處顯然是最理想的并聯(lián)位置;交點以下區(qū)域是典型的負溫度特性區(qū)，離交點越遠，負溫度特性越重，越不適宜并聯(lián)，說明并聯(lián)應用時，余量太大是不妥當?shù)?。所以，選交點及以下的小范圍內(nèi)的點是妥當?shù)摹?