CN114552619B - 一种串联二极管器件并联均压电路及参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种串联二极管器件并联均压电路及参数设计方法，属于电路技术领域。电路包括至少两个串联的均压单元，每一所述均压单元包括二极管、与二极管并联的平衡电阻以及与二极管并联的由缓冲电容和阻尼电阻串联构成的支路。本发明同时考虑了对地分布电容和对高压端分布电容；推导出的非等参数RC均压方法，不仅包含缓冲电容参数关系，还包括阻尼电阻参数关系及上限；提高了二极管器件的电压利用率，选取的值对各二极管反向电压有较大调节作用的同时，对整流器损耗影响较小；使得动、静态特性存在差异的二极管器件在串联后能够安全稳定运行且付出较低的功耗与成本，增加了电源系统的可靠性。

Description

一种串联二极管器件并联均压电路及参数设计方法

技术领域

本发明属于电路技术领域，更具体地，涉及一种串联二极管器件并联均压电路及参数设计方法。

背景技术

二极管整流器是高压直流电源的重要组成部分。此外，串联二极管整流器广泛应用于各种工业应用，如静电除尘、雷达和X射线机。受分立二极管击穿电压的限制，必须通过串联大规模二极管产生所需的直流高压。但是由于分布电容的存在，会造成串联二极管不均压的现象。

均压问题是进一步提高二极管串联器件电压利用率和设备可靠性的瓶颈，长期以来一直受到人们的关注。二极管的电压分布不均，会导致串联二极管的数量受限，电压等级无法继续提升；电压分布不均也会导致热分布不均，影响二极管整流器的可靠性；同时由于频率提升会导致电压不均的现象加重，因此电压分布不均不利于通过提升频率实现产品的小型化、轻量化。

为了确保整流器的安全稳定运行与提升串联器件利用率，其均压电路需解决如下两个问题：(1)二极管电压分布不均；(2)方波整流下的二极管关断过压。二极管特性参数差异造成的电压分布不均是最常见的，将等参数平衡电阻和阻容电路并联到每个二极管是实现电压平衡和缓冲的典型方法。然而，高压整流器中的串联二极管数量很多，这些二极管的连接点对高压端和对地的分布电容会使电压分布不均。选择较大的缓冲电容值可以在一定程度上改善这种不均压，但同时损耗也会增加，对整流器散热造成较大的压力。

为了补偿由分布电容引起的电压分布不均，目前通常使用的方法有两种，第一种方式推导出了非等参数电容并联的方法，但在分析电压分布和推导并联电容之间的关系时，只考虑了对单个电位(对地或对高压侧)的分布电容。因此，它只适用于只考虑对地分布电容(或对高压侧分布电容)的情况。第二种方法同时考虑了这两种分布电容，但其推导过程中做出的简化过多。得出的关系式在实际应用时有严格的限制条件，工程实用意义不大。为简化分析，上述方法中均忽略了并联吸收电路中的阻尼电阻，将二极管视为无反向恢复的理想开关。然而实际上，阻尼电阻无论是对反向恢复过电压的抑制，还是对动态均压都有着重要的影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提出一种串联二极管器件并联均压电路及参数设计方法，旨在解决高压直流输电领域开关器件大规模串联不均压的技术问题。并且提供一种能保证动、静态特性存在差异的二极管器件在串联后能够安全稳定运行且付出较低的功耗与成本的均压电路及参数设计方法。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种串联二极管器件并联均压电路的参数设计方法，所述电路包括至少两个串联的均压单元，每一所述均压单元包括二极管、与二极管并联的平衡电阻以及与二极管并联的由缓冲电容和阻尼电阻串联构成的支路；所述方法包括：

S1，为缓冲电容C_si赋初值，i＝1,……,n，n为二极管总数；

S2，根据公式计算阻尼电阻R_di的上限值R_dHi；

其中，C_pi为当电压均匀分布时二极管D_i两端的总等效分布电容，且C_hj为二极管D_j对高压端的分布电容，C_gk为二极管D_k对地端的分布电容；L为电感值；

S3，在满足R_di小于R_dHi的情况下，为R_di赋预设数量个值并求解对应的二极管反向恢复电压峰值U_dmax；

S4，若各二极管反向恢复电压峰值U_dmax中的最小值U_Mmin小于电压设计限值，则输出C_si以及U_Mmin对应的阻尼电阻值R_di；否则，增大C_si并跳转至S2。

更进一步地，在确定二极管D_i的缓冲电容C_si和阻尼电阻R_di后，通过以下公式得到其余二极管D_m的缓冲电容C_sm和阻尼电阻R_dm：

C_sm＝C_si+C_pi-C_pm

其中，C_pm为当电压均匀分布时二极管D_m两端的总等效分布电容，m＝1,……,n且m≠i。

更进一步地，二极管D_i的平衡电阻其中，U_RMi为二极管D_i承受的最大反向电压，Δi_RMi为二极管D_i间的最大漏电流差值；

其余二极管D_m的平衡电阻R_bm满足：R_bm＝R_bi。

第二方面，本发明提供了一种采用如第一方面所述的参数设计方法得到的串联二极管器件并联均压电路。

更进一步地，所述二极管为雪崩整流二极管。雪崩整流二极管反压超过击穿电压时，出现雪崩倍增现象并随之产生大电流，具有良好的反向浪涌功率吸收能力，故对短暂的反向电压应力不敏感，并且发生雪崩时反向电压基本就被箝位在击穿电压处，具有一定的自行均压能力，因此雪崩整流二极管很适合串联使用以获得高耐压。

更进一步地，每一所述均压单元中，二极管的正极、缓冲电容的正极和平衡电阻的一端连接，二极管的负极、阻尼电阻的一端和平衡电阻的另一端连接，缓冲电容的负极和阻尼电阻的另一端连接。

更进一步地，所述电路还包括供电部分，用于给所述电路供电；

所述供电部分包括直流电流源、直流电压源以及与所述直流电压源串联的电感。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)与相关技术相比，本发明同时考虑了对地分布电容和对高压端分布电容，可以准确的对并联均压电路参数进行设计，提高了二极管器件的电压利用率，使得本发明应用范围更加广泛。

(2)本发明推导出的非等参数RC均压方法，不仅包含缓冲电容参数关系，还包括阻尼电阻参数关系及上限；选取的值对各二极管反向电压有较大调节作用的同时，对整流器损耗影响较小，进一步拓展了电路和参数设计方法的使用场景，

(3)本发明解决了相关技术中的只考虑对地分布电容(或对高压侧分布电容)的局限性和参数设计工程实用意义不大的问题，保证了动、静态特性存在差异的二极管器件在串联后能够安全稳定运行且付出较低的功耗与成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的串联二极管器件并联均压电路示意图。

图2为本发明实施例提供的假设电压均匀分布时的等电位点示意图。

图3为本发明实施例提供的假设电压分布均匀时的简化等效电路示意图。

图4为本发明实施例提供的串联二极管器件并联均压电路中的阻容吸收电路参数设定流程图。

图5为根据现有技术的串联二极管器件均压电路等参数设计方法得到的反向恢复电压波形示意图。

图6为根据本发明的串联二极管器件并联均压电路的参数设计方法得到的反向恢复电压波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种串联二极管器件并联均压电路及参数设计方法，该电路由供电部分、分布电容部分和串联二极管器件并联均压部分组成。

如图1所示，供电部分包括直流电压源V₀、串联电感L和直流电流源i_r，用于给电路供电；分布电容部分包括二极管对高压端的分布电容C_h1、C_h2……C_h(n-1)和二极管对地端的分布电容C_g1、C_g2……C_g(n-1)，二极管的连接点对高压端和对地的分布电容会使电压分布不均，因此分布电容部分用于辅助分析从而得出二极管均压电路的参数设计方法；串联二极管器件并联均压部分包括串联二极管D₁、D₂……D_n、平衡电阻R_b1、R_b2……R_bn、缓冲电容C_s1、C_s2……C_sn和阻尼电阻R_d1、R_d2……R_dn，用于保证动、静态特性存在差异的二极管器件在串联后能够安全稳定运行且付出较低的功耗和成本。

其中，串联二极管器件并联均压部分包括从桥臂阴极开始编号的n只串联二极管D₁、D₂……D_n。n只二极管中每个二极管并联有一个平衡电阻R_b1、R_b2……R_bn构成的支路。n只二极管中每个二极管还并联有一个缓冲电容C_s1、C_s2……C_sn和一个阻尼电阻R_d1、R_d2……R_dn串联构成的支路。二极管D₁、D₂……D_n的正极、缓冲电容C_s1、C_s2……C_sn的正极和平衡电阻R_b1、R_b2……R_bn的一端连接，二极管D₁、D₂……D_n的负极、阻尼电阻R_d1、R_d2……R_dn的一端和平衡电阻R_b1、R_b2……R_bn的另一端连接，缓冲电容C_s1、C_s2……C_sn的负极和阻尼电阻R_d1、R_d2……R_dn的另一端相连。

其中，串联二极管器件并联均压部分中包含有二极管。通过实验对比发现，雪崩整流二极管反压超过击穿电压时，出现雪崩倍增现象并随之产生大电流，具有良好的反向浪涌功率吸收能力，故对短暂的反向电压应力不敏感，并且发生雪崩时反向电压基本就被箝位在击穿电压处，具有一定的自行均压能力；而快恢复二极管通态压降较大随之带来的通态损耗也较大；肖特基二极管耐压能力很低，硅制肖特基二极管的额定电压一般在200V以下；故并联均压电路的二极管选用雪崩二极管。

在设计串联二极管器件并联均压部分各元件参数之前，对图1的电路进行如下简化。

如图2所示，在假设电压均匀分布的情况下，可以构造如图2所示的等电位点以简化电路。每个节点的分布电容都被等效拆分成几个值相同且串联连接的电容，这些等效串联电容的数量等于原分布电容两个端点之间跨过的二极管数量，这样拆分的目的是构建和二极管连接点具有相同电位的新节点。例如，C_hj被拆分为n-j个串联电容，容值为(n-j)·C_hj；C_gj被拆分为j个串联电容，容值为j·C_gj。在串联二极管电压均匀分布的假设下，V₁＝V₂＝……V_n。对C_hj支路而言，其被等效拆分后的n-j个节点和其跨过的n-j个二极管连接点具有一一对应相等的电位，这些等电位节点在图2中已通过相连的虚线来标示。

假设C_pi是当电压均匀分布时二极管D_i两端的总等效分布电容，表达式为：

其中C_pi是当电压均匀分布时二极管D_i两端的总等效分布电容，单位：法拉；C_hj为二极管对高压端的分布电容，单位：法拉；C_gk为二极管对地端的分布电容，单位：法拉。

由图2可知，二极管D₁两侧没有对高压侧的分布电容，因此

更进一步地，二极管Dj总等效并联阻抗Zj满足:

显然，如果满足：

等式就可以近似简化为

式(5)给出的1/Z_i近似表达式所对应的简化等效电路如图3所示。

图3为本发明实施例提供的假设电压均压分布时的简化等效电路示意图。C_i和R_i分别为：

其中C_i为当电压均匀分布时二极管D_i两端的等效缓冲电容，单位：法拉；R_i为电压均匀分布时二极管D_i两端的等效阻尼电阻，单位：欧姆。

对于图3所示的简化等效电路，显然只有满足R_b1＝R_b2……＝R_bn，C₁＝C₂……＝C_n＝C_eq，R₁＝R₂……＝R_n＝R_eq时，电压均匀分布的假设和基于该假设的上述一系列电路变换才能成立。此处将C_eq和R_eq分别定义为二极管的等效缓冲电容和等效阻尼电阻。

以二极管D_i的并联均压电路参数作为基准参考，其余二极管D_m(m＝1,……,n且m≠i)的并联均压保护电路参数应满足以下要求：

R_bm＝R_bi(7)

C_sm＝C_si+C_pi-C_pm(8)

忽略大阻值的平衡电阻，图3所示的简化等效电路在二极管反向恢复过程中的无阻尼振荡频率ω₀为：

尽管二极管的反向恢复电压包含许多高频分量，但主要分量的频率与ω₀处于同一量级。通过将式ω₀、C_eq引入式(4)，可以获得阻尼电阻R_dj的上限R_dHj表达式：

其中R_dHi为阻尼电阻R_di上值，单位：欧姆；R_bi为平衡电阻，单位：欧姆；C_si为二极管的缓冲电容，单位：法拉；R_di为阻尼电阻，单位：欧姆。

参阅图1、4，串联二极管器件并联均压部分的阻容吸收电路的参数设计的工作流程为：输入串联二极管的个数、二极管的分布电容参数等，以二极管D_i为基准，首先为缓冲电容C_si赋初值；然后根据公式计算阻尼电阻R_di的上限值R_dHi；在满足R_di小于R_dHi的情况下，为R_di赋预设数量个值并求解对应的二极管反向恢复电压峰值U_dmax；找出二极管反向恢复电压峰值U_dmax中的最小值U_Mmin及其对应的阻尼电阻值，若U_Mmin小于电压设计限值，则将C_si以及U_Mmin对应的阻尼电阻值R_di赋给需要并联最小缓冲电容的二极管阻容回路，并按本发明所述的均压参数关系式(7)至式(9)计算其余二极管阻容参数；如果若U_Mmin大于电压设计限值，则增加桥臂的缓冲电容值，重新计算阻尼电阻R_di的上限值R_dHi，并重复上述流程。

其中，串联二极管器件并联均压部分的平衡电阻用于避免各二级管漏电流特性差异造成的静态电压分布不均，其参数可由二极管的最大反向电压和最大漏电流确定：

其中，U_RM为二极管承受的最大反向电压，单位：伏特；Δi_RM为二极管间的最大漏电流差值，单位：安培。

本实施例提供的一种串联二极管器件并联均压电路及参数设计方法，其工作原理为：由于二极管伏安特性引起静态不均压，已经处于反向阻断状态下的二极管流过大小相等的漏电流时，伏安特性最硬的二极管两端的反向压降最大，可以通过每只二极管并联平衡电阻实现静态均压。二极管的反向恢复电荷差异会引起桥臂关断的二极管动态不均压，当反向恢复电荷较小的二极管率先关断后，反向电流的流通路径将转移到其并联阻容回路中，阻容吸收电路承担了动态均压的功能。

图5为根据现有技术的串联二极管器件均压电路等参数设计方法得到的反向恢复电压波形示意图。从图中可以看出最大峰值电压为596V，同时D1、D5的峰值电压差值ΔV_Dm为204V，均压系数α为0.80。

图6为根据本发明的串联二极管器件并联均压电路的参数设计方法得到的反向恢复电压波形示意图。从图中可以看出最大峰值电压为496V，同时D1、D5的峰值电压差值ΔV_Dm为10V，均压系数α为0.99。

实验与仿真结果充分验证了本发明提出的串联二极管器件并联均压电路及参数设计方法的有效性，可以更有效地帮助电压均匀分布，从而降低单只二极管的反向峰值电压。该均压电路可应用于高压直流输电领域大规模串联二极管器件并联均压。

本实施例中，串联二极管器件并联均压电路及参数设计方法同时考虑了对地分布电容和对高压端分布电容；可以准确的对并联均压电路参数进行设计，提高了二极管器件的电压利用率，使得本发明应用范围更加广泛；串联二极管器件并联均压电路及参数设计方法不仅包含缓冲电容参数关系，还包括阻尼电阻参数关系及上限；选取的值对各二极管反向电压有较大调节作用的同时，对整流器损耗影响较小，进一步拓展了电路和参数设计方法的使用场景；解决了相关技术中的只考虑对地分布电容(或对高压侧分布电容)的局限性和参数设计工程实用意义不大的问题，保证了动、静态特性存在差异的二极管器件在串联后能够安全稳定运行且付出较低的功耗与成本，提高了电源系统的可靠性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种串联二极管器件并联均压电路的参数设计方法，其特征在于，所述电路包括至少两个串联的均压单元，每一所述均压单元包括二极管、与二极管并联的平衡电阻以及与二极管并联的由缓冲电容和阻尼电阻串联构成的支路；所述方法包括：

S1，为缓冲电容C_si赋初值，i＝1,……,n，n为二极管总数；

S2，根据公式计算阻尼电阻R_di的上限值R_dHi；

其中，C_pi为当电压均匀分布时二极管D_i两端的总等效分布电容，且C_hj为二极管D_j对高压端的分布电容，C_gk为二极管D_k对地端的分布电容；L为电感值；

S3，在满足R_di小于R_dHi的情况下，为R_di赋预设数量个值并求解对应的二极管反向恢复电压峰值U_dmax；

S4，若各二极管反向恢复电压峰值U_dmax中的最小值U_Mmin小于电压设计限值，则输出C_si以及U_Mmin对应的阻尼电阻值R_di；否则，增大C_si并跳转至S2。

2.根据权利要求1所述的参数设计方法，其特征在于，在确定二极管D_i的缓冲电容C_si和阻尼电阻R_di后，通过以下公式得到其余二极管D_m的缓冲电容C_sm和阻尼电阻R_dm：

C_sm＝C_si+C_pi-C_pm

其中，C_pm为当电压均匀分布时二极管D_m两端的总等效分布电容，m＝1,……,n且m≠i。

3.根据权利要求2所述的参数设计方法，其特征在于，二极管D_i的平衡电阻其中，U_RMi为二极管D_i承受的最大反向电压，Δi_RMi为二极管D_i间的最大漏电流差值；

其余二极管D_m的平衡电阻R_bm满足：R_bm＝R_bi。

4.一种串联二极管器件并联均压电路，其特征在于，采用如权利要求1至3任一项所述的参数设计方法得到。

5.根据权利要求4所述的串联二极管器件并联均压电路，其特征在于，所述二极管为雪崩整流二极管。

6.根据权利要求4所述的串联二极管器件并联均压电路，其特征在于，每一所述均压单元中，二极管的正极、缓冲电容的正极和平衡电阻的一端连接，二极管的负极、阻尼电阻的一端和平衡电阻的另一端连接，缓冲电容的负极和阻尼电阻的另一端连接。

7.根据权利要求4所述的串联二极管器件并联均压电路，其特征在于，所述电路还包括供电部分，用于给所述电路供电；

所述供电部分包括直流电流源、直流电压源以及与所述直流电压源串联的电感。