二极管串联时,需要特别留意静态和动态电压的分布情况。静态时,因每个二极管的制造差异,各自的截止漏电流会有所不同。这样,漏电流最小的二极管可能会承受更高的电压,甚至出现击穿现象。只要这些二极管的击穿稳定性足够,通常无需在电路中加入均压电阻。一般而言,当串联的二极管截止电压超过1200V时,才需要考虑加装并联电阻以确保电压均匀分配。
假设截止漏电流不会随电压变化,同时忽略电阻误差,我们可以推导出一个简化的公式,用于计算二极管串联电路中的电阻值。此公式中,Vm是电路中的最大电压,△Ir代表漏电流的最大偏差,且假设电路工作在最大温度条件下。根据这一假设,电流大约是二极管漏电流的六倍。经验表明,当流经电阻的电流达到二极管漏电流的三倍时,电阻值通常已足够。但即便如此,这一电阻依然可能导致一定的损耗。
需要注意的是,二极管在动态工作状态下的电压分布与静态状态有所不同。如果一个二极管的载流子比另一个更为迅速,那么它会更早承受电压,导致电压分布的不均。若忽略电容效应,在n个截止电压相同的二极管串联时,我们可以通过另一个简化公式计算并联电容。此公式中的△QRR为二极管存储电量的最大偏差,我们假设所有二极管来自同一批次。根据半导造商提供的数据,电容中的存储电量除了由二极管的关断过程产生外,还需要由开通的IGBT来接替。总的存储电量可能是单个二极管存储电量的两倍。
通常情况下,二极管串联并不常见,原因在于可能产生一些额外的损耗源,包括pn结的电压扩散、并联电阻的损耗、IGBT需要接替的附加存储电量以及由RC电路引发的元件增加等因素。当使用高截止电压的二极管时,通常不会选择串联方案。唯一的例外是当电路要求极短的开关时间和低存储电量时,此时地奈亚二极管因其性能特点或许是最佳选择,但系统的通态损耗会显著增加。
相比之下,二极管并联时并不需要额外的RC缓冲电路,最关键的是并联时通态电压的偏差要尽量控制在最小范围内。决定二极管是否适合并联的主要因素是其通态电压与温度的关系。如果通态电压随着温度升高而下降,说明二极管具有负的温度系数,利于减少损耗;反之,若通态电压随温度升高而增加,说明其温度系数为正,这在并联应用中反而有助于稳定性,因为较热的二极管会承受较少的电流。
由于二极管本身具有制造差异,如果其负温度系数过大(超过2mV/K),则可能引发温升不均的风险。在并联应用中,多片二极管的热耦合现象不容忽视,这种热耦合可以发生在多个芯片之间,或者在多个模块并联到同一散热片时发生。在这种情况下,对于具有较强负温度系数的二极管,建议进行降额使用,即总额定电流不应超过各二极管额定电流之和。