浅谈二极管串联均压问题误区

殷召伟 盛乾 宋刚

摘 要：二极管串联使用于高压高频场合越来越多，其分压问题也越来越受重视。文章在分析各种已有文献的基础上提出从宏观和微观上判断二极管串联是否均压的问题，解决探讨该问题的误区，简单直接的综合已有文献的观点。宏观上二极管不需考虑均压而微观上必须考虑均压，文章提出二极管串联在电除尘高频电源上的应用，在不要求精度的情况下，二极管可以直接串联使用。

关键词：二极管串联；不均压；伏安特性

引言

由于快恢复二极管的反向耐压有限，当用于高压环境下时，往往需要采用多个快恢复整流二极管串联来满足反向耐压的需要。由于生产过程中二极管存在伏安特性、开通时间、恢复电荷等方面的不一致性，从而使得在串联使用时，发生二极管不均压的问题，进而导致某个二极管反向电压过高而损坏，进一步影响其他二极管的正常运行，最终影响整个装置的可靠性和稳定性。

二极管串联均压问题一直是高功率电力电子变换装置研究的难题。二极管串联不均压的因素有自身因素和外围电路的因素。文献[1]给出二极管串联不需均压的结论；而文献[2]给出二极管串联需要均压；文献[3]给出了二极管串联均压方法及参数选型等等。因此在判断二极管串联均压问题上容易产生误区。

1 二极管的特性及其串联不均压因素分析

1.1 二极管特性

二极管属于电力电子器件，也是应用较多较为普遍的器件。一般越熟悉的器件越容易遗漏其关键参数指标，一般情况下只是关心宏观上的参数指标，诸如反向耐压、通态电流、反向漏电流等。一般情况下，二极管的结电容、关断和开通特性图等等容易被忽视。

1.2 二极管串联不均压因素分析

二极管串联不均压主要原因来自自身和外部两类。自身原因主要由加工工艺造成的，外因主要是由外部电路造成的。同一批次生产出来二极管的伏安特性不一致，造成二极管的静态不均压；反向恢复时间及开通状态的不一致造成二极管的动态不均压[3]。外部电路设计会造成杂散电感和电容，在高压高频环境中会造成不均压问题。

2 二极管串联不均压误区分析

2.1 宏观下二极管串联不均压分析

文献[1]给出二极管串联不需均压，这是从宏观上分析得出的，主要考虑的是二极管自身因素的影响。如图1所示，二个二极管串联，外接反向直流电压。反向饱和电流较小的二极管承受电压较大，因为两个二极管串联，在外部施加电压额定的情况下，反向饱和电流是不变的。如图2所示，假设两个二极管仅反向饱和电流存在差异，D2的反向饱和电流较小。可以明显得出上述结论。

在实际运行中，宏观上二极管由于自身差异导致压降不同如图2所示。当外界电压U加大到D2上的压降到达临界点时，由于D1反向饱和电流大导致其压降相对较小，当D2达到临界压降时，D1仍然处于安全稳定区域。U再次加大，按照上述分析，D2上压降将突破临界转折电压，二极管击穿造成电流急剧增加，但是D1和D2是串联于主电路中，D1电流必然随着D2增加，但是从D1的伏安曲线得知，D1通过大电流时其反向压降应该达到转折电压，故U1和U2之和大于U，推测不成立。因此，U加大时，D2的电压不会继续增加，而D1的电压会继续增加，直至U增加到超过二个管子的反向耐压之和，此时会出现二极管击穿。多个管子的分析也是如此，可参照文献[1]。

2.2 微观下二极管串联不均压分析

二极管的引脚、二极管在电路板上的布局等等在高压高频环境下自然而然演变成杂散电容和电感。杂散电容和电感的引入直接影响二极管的开通和关断波形。电容的引入阻止电压的突变而电感的引入则阻止电流的突变。文献[3]给出了在高频下二极管串联等效电路图，如图3所示C1为二极管结电容，R为二极管反向电阻，C2为二极管对高压形成的杂散电容，C3为二极管对地形成的杂散电容，同时从微观角度分析了二极管串联不均压的原因及后果。在文献[3]中提出二极管自身因素可以通过选用同一批次生产的二极管来近似解决，重点考虑外部因素。

图3 高频下二极管串联等效电路

3 二极管串联的应用

电除尘器高频电源输出高频PWM波经升压变压器再经过整流模块最终输出近似直线的电压波形[7] [8] [9]。整流模块集成在升压变压器中，采用的是二极管串联模式，因为电压等级比较高，一般考虑达到10KV以上。由于输出电压波形精度要求不高，故采用二极管直接串联方式即可，选用高频整流二极管，整流输出仿真波形如图4所示，实测波形如图5所示。

图4 仿真波形

如图所示，整流输出电压出现高低波峰，这是由于杂散参数即外部因素的影响，随着科学技术的不断发展，二极管的制作工艺在不断提高，其自身因素的影响已经微乎其微。

图5 实测波形

4 结束语

通过从宏观和微观两个角度简单分析二极管的串联均压问题，最后得出，在二极管串联应用于高压高频环境下时，二极管自身因素产生不均压但是不会造成二极管的击穿，二极管的外部因素产生的不均压是会造成二极管的击穿甚至更为严重的后果。

参考文献

[1]许维伯.二极管串联不需要均压电阻[J].

[2]陈小玲.二极管串联高压整流的电压分布与均压问题[J].广东民族学院学报（自然科学版），1997.

[3]陈曦，王瑾，肖岚.用于高压高频整流的二极管串联均压问题[J].电工技术学报，2012.

[4]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].机械工业出版社，2006.

[5]胡凤昌.高压硅堆中电压分布规律的研究[R].

[6]张磊，傅正财，孙伟，等.长串高压硅堆的电压分布与不等值均压分析[J].高压电器，2009.

[7]刘帅.高频静电除尘电源的研究和研制[D].上海：上海交通大学，2009.

[8]郭勇.基于DSP的高压直流静电除尘电源控制系统[D].北京：北京交通大学，2007.

[9]林震宇，郭亮.静电除尘用高频高压电源谐振参数的选择[J].电源技术供配电，2011.

作者简介：殷召伟（1980-），男，汉族，本科，中级工程师，毕业于安徽工业大学，主要从事电气工程及其自动化领域工作。

盛乾（1984-），男，汉族，本科，工程师，毕业于南京师范大学，主要从事自动化控制工作。

宋刚（1987-），男，汉族，硕士，毕业于合肥工业大学，电力电子与电力传动专业。