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。

　　在實際應(yīng)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(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(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），這是國際上先進的半導(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自踏入當(dāng)前的先進科學(xué)技術(shù)中，極大地推動了現(xiàn)代基礎(chǔ)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(xué)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(xué)技術(shù)發(fā)展的實踐表明，花大氣力出重拳跟上當(dāng)前國際先進科學(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。我們對功率半導(dǎo)體器件的直接均流技術(shù)的研究，就是在對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(dǎo)體器件并聯(lián)均流技術(shù)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(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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(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(shù)。結(jié)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(chǔ)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(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，在計算機幫助下給出室溫和額定結(jié)溫Tjm（嚴格講是等效結(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(yīng)用時，余量太大是不妥當(dāng)?shù)摹Ｋ?，選交點及以下的小范圍內(nèi)的點是妥當(dāng)?shù)摹?/p>

　　4）選定70%ITM（即交點附近）為中心點，以其1.5 和0.5 倍的電流及對應(yīng)電壓做直線近似得到大電流區(qū)對應(yīng)的門檻電壓和斜率電阻；再選定以35%ITM 為中心點，以其1.5 和0.5 倍的電流及對應(yīng)電壓做直線近似得小電流區(qū)對應(yīng)的門檻電壓和斜率電阻。得到的特性曲線如圖3所示。

 　　6）離交點過遠做器件并聯(lián)是不妥當(dāng)?shù)?，為此并?lián)器件不宜太多，一般以8 個以內(nèi)的并聯(lián)為好，否則并聯(lián)數(shù)越多，余量必然越大，越偏離交點。

　　7）不再保留強迫均流方法一和方法二。

　　8）酌情保留強迫均流方法三。

　　9）保留母線、器件、柜體配置及對磁場影響的解決方案。比較好的解決方案是將一組并聯(lián)器件按串接方法用同一組緊固件，類似串聯(lián)連接方法緊固，相間器件通過引出線并聯(lián)在一起，這樣就很好地解決了磁場影響問題。

3 器件測試數(shù)據(jù)匹配和應(yīng)用

　　運用上述直接均流技術(shù)，在上海電氣電站設(shè)備有限公司上海發(fā)動機廠進行現(xiàn)場測試，數(shù)據(jù)記錄如表1 所列（器件為直徑38 mm 的整流二極管，采用雙并后再十并的方式，表中參數(shù)意義參見《變頻技術(shù)應(yīng)用》2009 年第2 期的“多個器件并聯(lián)中的均流匹配問題”）。

　　測試結(jié)果表明：在沒有任何保護的情況下，實現(xiàn)理想的直接并聯(lián)連接，均流系數(shù)在97%耀98%。

4 結(jié)語

　　器件制造技術(shù)和裝置應(yīng)用技術(shù)緊密結(jié)合是提升器件技術(shù)水平的捷徑。做裝置的要研究器件的內(nèi)里技術(shù)，做器件的更要研究應(yīng)用中的技術(shù)問題。

　　直接并聯(lián)技術(shù)的成功應(yīng)用就是器件制造技術(shù)和裝置應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)合。不同品種功率器件的并聯(lián)會有些細微差別，但雙極型功率半導(dǎo)體器件直接并聯(lián)技術(shù)自有的內(nèi)在規(guī)律和特點越來越被認知和接受，其應(yīng)用的意義和帶來的效益逐步展示出來，對它的全面推廣已勢在必行。