[發明專利]一種串聯二極管器件并聯均壓電路及參數設計方法

在審

• 申請號: 202210055520.7
• 申請日: 2022-01-18
• 公開（公告）號: CN114552619A
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 馬少翔;李志恒;朱幫友;張鴻淇;張明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02J3/36
• 分類號: H02J3/36;H02J3/28;H02M1/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 尹麗媛;李智

本發明提供了一種串聯二極管器件并聯均壓電路及參數設計方法，屬于電路技術領域。電路包括至少兩個串聯的均壓單元，每一所述均壓單元包括二極管、與二極管并聯的平衡電阻以及與二極管并聯的由緩沖電容和阻尼電阻串聯構成的支路。本發明同時考慮了對地分布電容和對高壓端分布電容；推導出的非等參數RC均壓方法，不僅包含緩沖電容參數關系，還包括阻尼電阻參數關系及上限；提高了二極管器件的電壓利用率，選取的值對各二極管反向電壓有較大調節作用的同時，對整流器損耗影響較小；使得動、靜態特性存在差異的二極管器件在串聯后能夠安全穩定運行且付出較低的功耗與成本，增加了電源系統的可靠性。

技術領域

本發明屬于電路技術領域，更具體地，涉及一種串聯二極管器件并聯均壓電路及參數設計方法。

背景技術

二極管整流器是高壓直流電源的重要組成部分。此外，串聯二極管整流器廣泛應用于各種工業應用，如靜電除塵、雷達和X射線機。受分立二極管擊穿電壓的限制，必須通過串聯大規模二極管產生所需的直流高壓。但是由于分布電容的存在，會造成串聯二極管不均壓的現象。

均壓問題是進一步提高二極管串聯器件電壓利用率和設備可靠性的瓶頸，長期以來一直受到人們的關注。二極管的電壓分布不均，會導致串聯二極管的數量受限，電壓等級無法繼續提升；電壓分布不均也會導致熱分布不均，影響二極管整流器的可靠性；同時由于頻率提升會導致電壓不均的現象加重，因此電壓分布不均不利于通過提升頻率實現產品的小型化、輕量化。

為了確保整流器的安全穩定運行與提升串聯器件利用率，其均壓電路需解決如下兩個問題：(1)二極管電壓分布不均；(2)方波整流下的二極管關斷過壓。二極管特性參數差異造成的電壓分布不均是最常見的，將等參數平衡電阻和阻容電路并聯到每個二極管是實現電壓平衡和緩沖的典型方法。然而，高壓整流器中的串聯二極管數量很多，這些二極管的連接點對高壓端和對地的分布電容會使電壓分布不均。選擇較大的緩沖電容值可以在一定程度上改善這種不均壓，但同時損耗也會增加，對整流器散熱造成較大的壓力。

為了補償由分布電容引起的電壓分布不均，目前通常使用的方法有兩種，第一種方式推導出了非等參數電容并聯的方法，但在分析電壓分布和推導并聯電容之間的關系時，只考慮了對單個電位(對地或對高壓側)的分布電容。因此，它只適用于只考慮對地分布電容(或對高壓側分布電容)的情況。第二種方法同時考慮了這兩種分布電容，但其推導過程中做出的簡化過多。得出的關系式在實際應用時有嚴格的限制條件，工程實用意義不大。為簡化分析，上述方法中均忽略了并聯吸收電路中的阻尼電阻，將二極管視為無反向恢復的理想開關。然而實際上，阻尼電阻無論是對反向恢復過電壓的抑制，還是對動態均壓都有著重要的影響。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提出一種串聯二極管器件并聯均壓電路及參數設計方法，旨在解決高壓直流輸電領域開關器件大規模串聯不均壓的技術問題。并且提供一種能保證動、靜態特性存在差異的二極管器件在串聯后能夠安全穩定運行且付出較低的功耗與成本的均壓電路及參數設計方法。

為實現上述目的，第一方面，本發明提供了一種串聯二極管器件并聯均壓電路的參數設計方法，所述電路包括至少兩個串聯的均壓單元，每一所述均壓單元包括二極管、與二極管并聯的平衡電阻以及與二極管并聯的由緩沖電容和阻尼電阻串聯構成的支路；所述方法包括：

S1，為緩沖電容C_si賦初值，i＝1,……,n，n為二極管總數；

S2，根據公式計算阻尼電阻R_di的上限值R_dHi；

其中，C_pi為當電壓均勻分布時二極管D_i兩端的總等效分布電容，且C_hj為二極管D_j對高壓端的分布電容，C_gk為二極管D_k對地端的分布電容；L為電感值；