淺談二極管串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}誤區(qū)

殷召偉 盛乾 宋剛

摘 要：二極管串聯(lián)使用于高壓高頻場(chǎng)合越來(lái)越多，其分壓?jiǎn)栴}也越來(lái)越受重視。文章在分析各種已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上提出從宏觀(guān)和微觀(guān)上判斷二極管串聯(lián)是否均壓的問(wèn)題，解決探討該問(wèn)題的誤區(qū)，簡(jiǎn)單直接的綜合已有文獻(xiàn)的觀(guān)點(diǎn)。宏觀(guān)上二極管不需考慮均壓而微觀(guān)上必須考慮均壓，文章提出二極管串聯(lián)在電除塵高頻電源上的應(yīng)用，在不要求精度的情況下，二極管可以直接串聯(lián)使用。

關(guān)鍵詞：二極管串聯(lián)；不均壓；伏安特性

引言

由于快恢復(fù)二極管的反向耐壓有限，當(dāng)用于高壓環(huán)境下時(shí)，往往需要采用多個(gè)快恢復(fù)整流二極管串聯(lián)來(lái)滿(mǎn)足反向耐壓的需要。由于生產(chǎn)過(guò)程中二極管存在伏安特性、開(kāi)通時(shí)間、恢復(fù)電荷等方面的不一致性，從而使得在串聯(lián)使用時(shí)，發(fā)生二極管不均壓的問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致某個(gè)二極管反向電壓過(guò)高而損壞，進(jìn)一步影響其他二極管的正常運(yùn)行，最終影響整個(gè)裝置的可靠性和穩(wěn)定性。

二極管串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}一直是高功率電力電子變換裝置研究的難題。二極管串聯(lián)不均壓的因素有自身因素和外圍電路的因素。文獻(xiàn)[1]給出二極管串聯(lián)不需均壓的結(jié)論；而文獻(xiàn)[2]給出二極管串聯(lián)需要均壓；文獻(xiàn)[3]給出了二極管串聯(lián)均壓方法及參數(shù)選型等等。因此在判斷二極管串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}上容易產(chǎn)生誤區(qū)。

1 二極管的特性及其串聯(lián)不均壓因素分析

1.1 二極管特性

二極管屬于電力電子器件，也是應(yīng)用較多較為普遍的器件。一般越熟悉的器件越容易遺漏其關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，一般情況下只是關(guān)心宏觀(guān)上的參數(shù)指標(biāo)，諸如反向耐壓、通態(tài)電流、反向漏電流等。一般情況下，二極管的結(jié)電容、關(guān)斷和開(kāi)通特性圖等等容易被忽視。

1.2 二極管串聯(lián)不均壓因素分析

二極管串聯(lián)不均壓主要原因來(lái)自自身和外部?jī)深?lèi)。自身原因主要由加工工藝造成的，外因主要是由外部電路造成的。同一批次生產(chǎn)出來(lái)二極管的伏安特性不一致，造成二極管的靜態(tài)不均壓；反向恢復(fù)時(shí)間及開(kāi)通狀態(tài)的不一致造成二極管的動(dòng)態(tài)不均壓[3]。外部電路設(shè)計(jì)會(huì)造成雜散電感和電容，在高壓高頻環(huán)境中會(huì)造成不均壓?jiǎn)栴}。

2 二極管串聯(lián)不均壓誤區(qū)分析

2.1 宏觀(guān)下二極管串聯(lián)不均壓分析

文獻(xiàn)[1]給出二極管串聯(lián)不需均壓，這是從宏觀(guān)上分析得出的，主要考慮的是二極管自身因素的影響。如圖1所示，二個(gè)二極管串聯(lián)，外接反向直流電壓。反向飽和電流較小的二極管承受電壓較大，因?yàn)閮蓚€(gè)二極管串聯(lián)，在外部施加電壓額定的情況下，反向飽和電流是不變的。如圖2所示，假設(shè)兩個(gè)二極管僅反向飽和電流存在差異，D2的反向飽和電流較小?？梢悦黠@得出上述結(jié)論。

在實(shí)際運(yùn)行中，宏觀(guān)上二極管由于自身差異導(dǎo)致壓降不同如圖2所示。當(dāng)外界電壓U加大到D2上的壓降到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)，由于D1反向飽和電流大導(dǎo)致其壓降相對(duì)較小，當(dāng)D2達(dá)到臨界壓降時(shí)，D1仍然處于安全穩(wěn)定區(qū)域。U再次加大，按照上述分析，D2上壓降將突破臨界轉(zhuǎn)折電壓，二極管擊穿造成電流急劇增加，但是D1和D2是串聯(lián)于主電路中，D1電流必然隨著D2增加，但是從D1的伏安曲線(xiàn)得知，D1通過(guò)大電流時(shí)其反向壓降應(yīng)該達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓，故U1和U2之和大于U，推測(cè)不成立。因此，U加大時(shí)，D2的電壓不會(huì)繼續(xù)增加，而D1的電壓會(huì)繼續(xù)增加，直至U增加到超過(guò)二個(gè)管子的反向耐壓之和，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)二極管擊穿。多個(gè)管子的分析也是如此，可參照文獻(xiàn)[1]。

2.2 微觀(guān)下二極管串聯(lián)不均壓分析

二極管的引腳、二極管在電路板上的布局等等在高壓高頻環(huán)境下自然而然演變成雜散電容和電感。雜散電容和電感的引入直接影響二極管的開(kāi)通和關(guān)斷波形。電容的引入阻止電壓的突變而電感的引入則阻止電流的突變。文獻(xiàn)[3]給出了在高頻下二極管串聯(lián)等效電路圖，如圖3所示C1為二極管結(jié)電容，R為二極管反向電阻，C2為二極管對(duì)高壓形成的雜散電容，C3為二極管對(duì)地形成的雜散電容，同時(shí)從微觀(guān)角度分析了二極管串聯(lián)不均壓的原因及后果。在文獻(xiàn)[3]中提出二極管自身因素可以通過(guò)選用同一批次生產(chǎn)的二極管來(lái)近似解決，重點(diǎn)考慮外部因素。

圖3 高頻下二極管串聯(lián)等效電路

3 二極管串聯(lián)的應(yīng)用

電除塵器高頻電源輸出高頻PWM波經(jīng)升壓變壓器再經(jīng)過(guò)整流模塊最終輸出近似直線(xiàn)的電壓波形[7] [8] [9]。整流模塊集成在升壓變壓器中，采用的是二極管串聯(lián)模式，因?yàn)殡妷旱燃?jí)比較高，一般考慮達(dá)到10KV以上。由于輸出電壓波形精度要求不高，故采用二極管直接串聯(lián)方式即可，選用高頻整流二極管，整流輸出仿真波形如圖4所示，實(shí)測(cè)波形如圖5所示。

圖4 仿真波形

如圖所示，整流輸出電壓出現(xiàn)高低波峰，這是由于雜散參數(shù)即外部因素的影響，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，二極管的制作工藝在不斷提高，其自身因素的影響已經(jīng)微乎其微。

圖5 實(shí)測(cè)波形

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)從宏觀(guān)和微觀(guān)兩個(gè)角度簡(jiǎn)單分析二極管的串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}，最后得出，在二極管串聯(lián)應(yīng)用于高壓高頻環(huán)境下時(shí)，二極管自身因素產(chǎn)生不均壓但是不會(huì)造成二極管的擊穿，二極管的外部因素產(chǎn)生的不均壓是會(huì)造成二極管的擊穿甚至更為嚴(yán)重的后果。

參考文獻(xiàn)

[1]許維伯.二極管串聯(lián)不需要均壓電阻[J].

[2]陳小玲.二極管串聯(lián)高壓整流的電壓分布與均壓?jiǎn)栴}[J].廣東民族學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1997.

[3]陳曦，王瑾，肖嵐.用于高壓高頻整流的二極管串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012.

[4]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5]胡鳳昌.高壓硅堆中電壓分布規(guī)律的研究[R].

[6]張磊，傅正財(cái)，孫偉，等.長(zhǎng)串高壓硅堆的電壓分布與不等值均壓分析[J].高壓電器，2009.

[7]劉帥.高頻靜電除塵電源的研究和研制[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[8]郭勇.基于DSP的高壓直流靜電除塵電源控制系統(tǒng)[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[9]林震宇，郭亮.靜電除塵用高頻高壓電源諧振參數(shù)的選擇[J].電源技術(shù)供配電，2011.

作者簡(jiǎn)介：殷召偉（1980-），男，漢族，本科，中級(jí)工程師，畢業(yè)于安徽工業(yè)大學(xué)，主要從事電氣工程及其自動(dòng)化領(lǐng)域工作。

盛乾（1984-），男，漢族，本科，工程師，畢業(yè)于南京師范大學(xué)，主要從事自動(dòng)化控制工作。

宋剛（1987-），男，漢族，碩士，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，電力電子與電力傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)。