快速功率二極管正反向恢復(fù)特性仿真研究

1 引言

在弧焊逆變器中,大功率快恢復(fù)二極管的瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程和特性對(duì)于高頻整流和主開關(guān)器件的正常工作具有至關(guān)重要的影響.在IGBT開通瞬間,功率二極管處于續(xù)流狀態(tài),會(huì)引起變壓器次級(jí)短路,對(duì) IGBT形成電流沖擊,不利于IGBT的可靠運(yùn)行.

功率二極管存在顯著的電導(dǎo)調(diào)制和電荷存儲(chǔ)效應(yīng),其開、關(guān)狀態(tài)的改變需要一定的時(shí)間[1].在正向恢復(fù)過(guò)程中,開通初期出現(xiàn)高出正常通態(tài)壓降2~10倍的電壓尖峰;而在反向恢復(fù)過(guò)程中,關(guān)斷初期不能承受反向電壓而產(chǎn)生較高的反向電流.為準(zhǔn)確表征弧焊逆變器的動(dòng)態(tài)過(guò)程,功率二極管的仿真模型必須能正確反映正向和反向的恢復(fù)特性.

SPICE標(biāo)準(zhǔn)二極管模型完全忽視了正向恢復(fù)效應(yīng),對(duì)二極管反向恢復(fù)現(xiàn)象的模擬也會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的振蕩[1].國(guó)際上許多文獻(xiàn)對(duì)功率二極管的實(shí)用仿真模型進(jìn)行了大量研究”[1~4],其中基于集中電荷的概念,根據(jù)功率二極管內(nèi)部載流子的簡(jiǎn)化輸運(yùn)方程,成功地給出了可以同時(shí)正確描述二極管正、反向恢復(fù)瞬態(tài)過(guò)程的仿真模型.國(guó)內(nèi)針對(duì)SPICE標(biāo)準(zhǔn)二極管模型的不足而展開深入討論的文獻(xiàn)不多[5].以下將以 C L Ma和P O Lauritizen的系列研究為基礎(chǔ),對(duì)功率二極管的電路仿真模型進(jìn)行深入探討.

2 功率二極管的數(shù)學(xué)物理方程

功率二極管的數(shù)學(xué)物理方程由反向恢復(fù)、正向恢復(fù)、發(fā)射區(qū)復(fù)合方程以及包括接觸電阻和結(jié)電容的總變量方程等4部分組成.

2.1 反向恢復(fù)的方程

擴(kuò)散電流可由下式?jīng)Q定:

(1)式中 qo——pi界面附近的電荷變量

q2——i/2區(qū)的電荷變量

T12——擴(kuò)散穿越時(shí)間常數(shù)

對(duì)于q2,電荷控制的連續(xù)性方程為:

(2)式中 ——電荷變化率

qo——pn結(jié)的注入電荷水平變量

——電荷在壽命,期間的復(fù)合率

——p+i結(jié)到q2的擴(kuò)散電荷

由pn結(jié)定律可得:

(3)式中ISO——二極管的飽和電流常數(shù)

T——電荷壽命

VT——熱電勢(shì)常量

vE——結(jié)電壓

由式(1),式(2)和式(3)組成的方程組就是完整描述功率二極管反向恢復(fù)過(guò)程的數(shù)學(xué)物理模型.

2.2 正向恢復(fù)的方程

在二極管正向過(guò)渡期間,由于i區(qū)的初始導(dǎo)電性低,在二極管兩端建立起較高的電壓.隨著注入載流子濃度的增加,i區(qū)上的電壓很快降低到二極管正常穩(wěn)態(tài)正向電壓.按照載流子漂移導(dǎo)電方程,

可得:

(4)式中 vM——i/2區(qū)的電壓

RMo——i區(qū)的初始電阻常量

iVD——二極管總電流

式(4)是功率二極管的正向恢復(fù)方程,說(shuō)明i區(qū)上的電壓直接取決于該區(qū)的總電流iVD和電荷q2.

2.3 發(fā)射區(qū)的載流子復(fù)合

當(dāng)功率二極管的導(dǎo)通電流很高時(shí),由于載流子注入到重?cái)v雜的p+和n+發(fā)射區(qū).此時(shí),發(fā)射區(qū)的載流子復(fù)合電流iE不可忽略.根據(jù)發(fā)射區(qū)的注入電子濃度變化方程,可得:

(5)式中ISE——電流常數(shù)

通常,ISE比ISO小幾個(gè)數(shù)量級(jí),也就是說(shuō),iE僅在非常大的電流下才成為總電流的主要部分.