快速功率二極管正反向恢復特性仿真研究

2.4 包括接觸電阻和結電容的總變量方程

功率二極管完整的數學物理模型應該將接觸電阻RS和結電容Cj也考慮進去.由此可得,二極管端口電壓v和總電流i的輸出變量方程分別為:

(6)綜上所述,由式(2)~(6)構成的方程組,就是完整描述功率二極管動態(tài)過程的數學物理模型.

3 二極管正反向恢復SPICE仿真模型

運用非線性受控源B元素,SPICE3.0以上版本具有直接將數學方程轉化為電路仿真模型的功能.

例如,假設設計的仿真模型中節(jié)點1的電壓表示數學方程(3)中的變量q0,節(jié)點2的電壓表示數學方程中變量VE,則式(3)對應的仿真模型為:B10V= {ISO}*|τ*(EXP(V(2)VT)-1).

由此可得圖1所示的二極管正、反向恢復特性的SPICE仿真子電路模型.

其模型清單為:

SUBCKT DREC 1 9

* Connection A C

* Following components include for space charge capacitance

DMODEL 1 2 DCAP

MODEL DCAP D(IS=1E-21 RS=0 TT=O CJO={CAP})

BDl21=(V(5,6)/{TM})+({ISE} x(EXP((V(1)-V(2))/{VTA})-1))

* Following components model reverse recovery

BE50V={ISl}*{TAU}*(EXP((V(1)-V(2))/(2*{VTA}))-1)

|;set V(5)=QE

RE 50 1E6

BM 6 0 V=(V(5)/{TM}-I(VSl))* ({TM}*{TAU}/({TM}+{TAU}))

;setV(6)=QM

RM 60 1E6

BDM 70V=V(6)

VSl 7 8 ;Set I(VSl)=DQM/DT

CDM 8 0 1

RDM 8 0 1E9

* Model high current effects and forward recovery

RS 2 3 4E-3

BMO 34V=2*{VTA}*{RMO}* {TM}*I(VS2)/((V(6)*{RMO})+ ({VTA}*{TM}))

VS2 4 9

.　　ENDS

需要指出,為了書寫方便,該清單中的常數與式(1)~(6)中常數的對應關系為:TM=2T12;VTA=1/2VT;TAU=τ;ISl=2ISO.

二極管正反向恢復SPICE仿真模型的參數獲取方法與文獻[2,3]介紹的數學物理方程中參數的獲取方法完全對應,在此不贅述.

圖2a給出了應用上述改進的二極管仿真模型獲得的反向恢復過程的電流波形.由圖可見,改進的二極管仿真模型正確描述了反向電流尖峰和反向電流軟恢復的特征.

圖2b中波形①為正向恢復過程中功率二極管的導通壓降,波形②為導通電流.由圖可見,在時間t=191ns的完全導通時刻,二極管正向導通壓降為 1.36V.而在t= 51ns的初始導通時刻,二極管的正向導通壓降高達6.28V.由此可知,該模型能夠正確地表征二極管的正向恢復過程.

4 結論

用SPICE類通用電路仿真與CAD軟件研究電力電子器件和系統的關鍵是正確建立描述電力電子器件重要特性的數學物理模型.在分析功率二極管數學物理方程的基礎上,獲得了可正確描述正反向恢復過程的功率二極管仿真模型.該模型克服了標準二極管模型完全忽視正向恢復效應,對二極管反向恢復現象的模擬也會產生錯誤振蕩的缺陷,具有一定的實際意義.