技術(shù)分享：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)過渡過程和特性對(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。在正向恢復(fù)過程中，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。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”，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)過程的仿真模型。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

2.2 正向恢復(fù)的方程

2.3 發(fā)射區(qū)的載流子復(fù)合

2.4 包括接觸電阻和結(jié)電容的總變量方程

3 二極管正反向恢復(fù)SPICE仿真模型

運(yùn)用非線性受控源B元素，SPICE3.0以上版本具有直接將數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)化為電路仿真模型的功能。

例如，假設(shè)設(shè)計(jì)的仿真模型中電壓的變量q0，電壓表示數(shù)學(xué)方程中變量VE，則仿真模型方程式為：B10V= {ISO}*|τ*(EXP(V(2)VT)-1)。

4 結(jié)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(tǒng)的關(guān)鍵是正確建立描述電力電子器件重要特性的數(shù)學(xué)物理模型。在分析功率二極管數(shù)學(xué)物理方程的基礎(chǔ)上，獲得了可正確描述正反向恢復(fù)過程的功率二極管仿真模型。該模型克服了標(biāo)準(zhǔn)二極管模型完全忽視正向恢復(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)誤振蕩的缺陷，具有一定的實(shí)際意義。