快速功率二極管正反向恢復特性仿真研究

1 引言

在弧焊逆變器中,大功率快恢復二極管的瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程和特性對于高頻整流和主開(kāi)關(guān)器件的正常工作具有至關(guān)重要的影響.在IGBT開(kāi)通瞬間,功率二極管處于續流狀態(tài),會(huì )引起變壓器次級短路,對 IGBT形成電流沖擊,不利于IGBT的可靠運行.

功率二極管存在顯著(zhù)的電導調制和電荷存儲效應,其開(kāi)、關(guān)狀態(tài)的改變需要一定的時(shí)間[1].在正向恢復過(guò)程中,開(kāi)通初期出現高出正常通態(tài)壓降2~10倍的電壓尖峰;而在反向恢復過(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特性.

SPICE標準二極管模型完全忽視了正向恢復效應,對二極管反向恢復現象的模擬也會(huì )產(chǎn)生錯誤的振蕩[1].國際上許多文獻對功率二極管的實(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,根據功率二極管內部載流子的簡(jiǎn)化輸運方程,成功地給出了可以同時(shí)正確描述二極管正、反向恢復瞬態(tài)過(guò)程的仿真模型.國內針對SPICE標準二極管模型的不足而展開(kāi)深入討論的文獻不多[5].以下將以 C L Ma和P O Lauritizen的系列研究為基礎,對功率二極管的電路仿真模型進(jìn)行深入探討.

2 功率二極管的數學(xué)物理方程

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

2.1 反向恢復的方程

擴散電流可由下式?jīng)Q定:

(1)式中 qo——pi界面附近的電荷變量

q2——i/2區的電荷變量

T12——擴散穿越時(shí)間常數

對于q2,電荷控制的連續性方程為:

(2)式中 ——電荷變化率

qo——pn結的注入電荷水平變量

——電荷在壽命,期間的復合率

——p+i結到q2的擴散電荷

由pn結定律可得:

(3)式中ISO——二極管的飽和電流常數

T——電荷壽命

VT——熱電勢常量

vE——結電壓

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過(guò)程的數學(xué)物理模型.

2.2 正向恢復的方程

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

可得:

(4)式中 vM——i/2區的電壓

RMo——i區的初始電阻常量

iVD——二極管總電流

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

2.3 發(fā)射區的載流子復合

當功率二極管的導通電流很高時(shí),由于載流子注入到重攙雜的p+和n+發(fā)射區.此時(shí),發(fā)射區的載流子復合電流iE不可忽略.根據發(fā)射區的注入電子濃度變化方程,可得:

(5)式中ISE——電流常數

通常,ISE比ISO小幾個(gè)數量級,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.