淺談二極管串聯均壓問題誤區

殷召偉 盛乾 宋剛

摘 要：二極管串聯使用于高壓高頻場合越來越多，其分壓問題也越來越受重視。文章在分析各種已有文獻的基礎上提出從宏觀和微觀上判斷二極管串聯是否均壓的問題，解決探討該問題的誤區，簡單直接的綜合已有文獻的觀點。宏觀上二極管不需考慮均壓而微觀上必須考慮均壓，文章提出二極管串聯在電除塵高頻電源上的應用，在不要求精度的情況下，二極管可以直接串聯使用。

關鍵詞：二極管串聯；不均壓；伏安特性

引言

由于快恢復二極管的反向耐壓有限，當用于高壓環境下時，往往需要采用多個快恢復整流二極管串聯來滿足反向耐壓的需要。由于生產過程中二極管存在伏安特性、開通時間、恢復電荷等方面的不一致性，從而使得在串聯使用時，發生二極管不均壓的問題，進而導致某個二極管反向電壓過高而損壞，進一步影響其他二極管的正常運行，最終影響整個裝置的可靠性和穩定性。

二極管串聯均壓問題一直是高功率電力電子變換裝置研究的難題。二極管串聯不均壓的因素有自身因素和外圍電路的因素。文獻[1]給出二極管串聯不需均壓的結論；而文獻[2]給出二極管串聯需要均壓；文獻[3]給出了二極管串聯均壓方法及參數選型等等。因此在判斷二極管串聯均壓問題上容易產生誤區。

1 二極管的特性及其串聯不均壓因素分析

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鍵參數指標，一般情況下只是關心宏觀上的參數指標，諸如反向耐壓、通態電流、反向漏電流等。一般情況下，二極管的結電容、關斷和開通特性圖等等容易被忽視。

1.2 二極管串聯不均壓因素分析

二極管串聯不均壓主要原因來自自身和外部兩類。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。同一批次生產出來二極管的伏安特性不一致，造成二極管的靜態不均壓；反向恢復時間及開通狀態的不一致造成二極管的動態不均壓[3]。外部電路設計會造成雜散電感和電容，在高壓高頻環境中會造成不均壓問題。

2 二極管串聯不均壓誤區分析

2.1 宏觀下二極管串聯不均壓分析

文獻[1]給出二極管串聯不需均壓，這是從宏觀上分析得出的，主要考慮的是二極管自身因素的影響。如圖1所示，二個二極管串聯，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，因為兩個二極管串聯，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，假設兩個二極管僅反向飽和電流存在差異，D2的反向飽和電流較小。可以明顯得出上述結論。

在實際運行中，宏觀上二極管由于自身差異導致壓降不同如圖2所示。當外界電壓U加大到D2上的壓降到達臨界點時，由于D1反向飽和電流大導致其壓降相對較小，當D2達到臨界壓降時，D1仍然處于安全穩定區域。U再次加大，按照上述分析，D2上壓降將突破臨界轉折電壓，二極管擊穿造成電流急劇增加，但是D1和D2是串聯于主電路中，D1電流必然隨著D2增加，但是從D1的伏安曲線得知，D1通過大電流時其反向壓降應該達到轉折電壓，故U1和U2之和大于U，推測不成立。因此，U加大時，D2的電壓不會繼續增加，而D1的電壓會繼續增加，直至U增加到超過二個管子的反向耐壓之和，此時會出現二極管擊穿。多個管子的分析也是如此，可參照文獻[1]。

2.2 微觀下二極管串聯不均壓分析

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通和關斷波形。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[3]給出了在高頻下二極管串聯等效電路圖，如圖3所示C1為二極管結電容，R為二極管反向電阻，C2為二極管對高壓形成的雜散電容，C3為二極管對地形成的雜散電容，同時從微觀角度分析了二極管串聯不均壓的原因及后果。在文獻[3]中提出二極管自身因素可以通過選用同一批次生產的二極管來近似解決，重點考慮外部因素。

圖3 高頻下二極管串聯等效電路

3 二極管串聯的應用

電除塵器高頻電源輸出高頻PWM波經升壓變壓器再經過整流模塊最終輸出近似直線的電壓波形[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模式，因為電壓等級比較高，一般考慮達到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，實測波形如圖5所示。

圖4 仿真波形

如圖所示，整流輸出電壓出現高低波峰，這是由于雜散參數即外部因素的影響，隨著科學技術的不斷發展，二極管的制作工藝在不斷提高，其自身因素的影響已經微乎其微。

圖5 實測波形

4 結束語

通過從宏觀和微觀兩個角度簡單分析二極管的串聯均壓問題，最后得出，在二極管串聯應用于高壓高頻環境下時，二極管自身因素產生不均壓但是不會造成二極管的擊穿，二極管的外部因素產生的不均壓是會造成二極管的擊穿甚至更為嚴重的后果。

參考文獻

[1]許維伯.二極管串聯不需要均壓電阻[J].

[2]陳小玲.二極管串聯高壓整流的電壓分布與均壓問題[J].廣東民族學院學報（自然科學版），1997.

[3]陳曦，王瑾，肖嵐.用于高壓高頻整流的二極管串聯均壓問題[J].電工技術學報，2012.

[4]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].機械工業出版社，2006.

[5]胡鳳昌.高壓硅堆中電壓分布規律的研究[R].

[6]張磊，傅正財，孫偉，等.長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，2009.

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

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

作者簡介：殷召偉（1980-），男，漢族，本科，中級工程師，畢業于安徽工業大學，主要從事電氣工程及其自動化領域工作。

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

宋剛（1987-），男，漢族，碩士，畢業于合肥工業大學，電力電子與電力傳動專業。