快速功率二极管正反向恢复特性仿真研究

最新更新时间:2013-08-24来源: 21ic关键字:功率二极管  恢复特性  仿真研究 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

1 引言

在弧焊逆变器中,大功率快恢复二极管的瞬态过渡过程和特性对于高频整流和主开关器件的正常工作具有至关重要的影响.在IGBT开通瞬间,功率二极管处于续流状态,会引起变压器次级短路,对 IGBT形成电流冲击,不利于IGBT的可靠运行.

功率二极管存在显著的电导调制和电荷存储效应,其开、关状态的改变需要一定的时间[1].在正向恢复过程中,开通初期出现高出正常通态压降2~10倍的电压尖峰;而在反向恢复过程中,关断初期不能承受反向电压而产生较高的反向电流.为准确表征弧焊逆变器的动态过程,功率二极管的仿真模型必须能正确反映正向和反向的恢复特性.

SPICE标准二极管模型完全忽视了正向恢复效应,对二极管反向恢复现象的模拟也会产生错误的振荡[1].国际上许多文献对功率二极管的实用仿真模型进行了大量研究”[1~4],其中基于集中电荷的概念,根据功率二极管内部载流子的简化输运方程,成功地给出了可以同时正确描述二极管正、反向恢复瞬态过程的仿真模型.国内针对SPICE标准二极管模型的不足而展开深入讨论的文献不多[5].以下将以 C L Ma和P O Lauritizen的系列研究为基础,对功率二极管的电路仿真模型进行深入探讨.

2 功率二极管的数学物理方程

功率二极管的数学物理方程由反向恢复、正向恢复、发射区复合方程以及包括接触电阻和结电容的总变量方程等4部分组成.

2.1 反向恢复的方程

扩散电流可由下式决定:

(1)式中 qo——pi界面附近的电荷变量

q2——i/2区的电荷变量

T12——扩散穿越时间常数

对于q2,电荷控制的连续性方程为:

(2)式中 ——电荷变化率

qo——pn结的注入电荷水平变量

——电荷在寿命,期间的复合率

——p+i结到q2的扩散电荷

由pn结定律可得:

(3)式中ISO——二极管的饱和电流常数

T——电荷寿命

VT——热电势常量

vE——结电压

由式(1),式(2)和式(3)组成的方程组就是完整描述功率二极管反向恢复过程的数学物理模型.

2.2 正向恢复的方程

在二极管正向过渡期间,由于i区的初始导电性低,在二极管两端建立起较高的电压.随着注入载流子浓度的增加,i区上的电压很快降低到二极管正常稳态正向电压.按照载流子漂移导电方程,

可得:

(4)式中 vM——i/2区的电压

RMo——i区的初始电阻常量

iVD——二极管总电流

式(4)是功率二极管的正向恢复方程,说明i区上的电压直接取决于该区的总电流iVD和电荷q2.

2.3 发射区的载流子复合

当功率二极管的导通电流很高时,由于载流子注入到重搀杂的p+和n+发射区.此时,发射区的载流子复合电流iE不可忽略.根据发射区的注入电子浓度变化方程,可得:

(5)式中ISE——电流常数

通常,ISE比ISO小几个数量级,也就是说,iE仅在非常大的电流下才成为总电流的主要部分.

2.4 包括接触电阻和结电容的总变量方程

功率二极管完整的数学物理模型应该将接触电阻RS和结电容Cj也考虑进去.由此可得,二极管端口电压v和总电流i的输出变量方程分别为:

(6)综上所述,由式(2)~(6)构成的方程组,就是完整描述功率二极管动态过程的数学物理模型.

3 二极管正反向恢复SPICE仿真模型

运用非线性受控源B元素,SPICE3.0以上版本具有直接将数学方程转化为电路仿真模型的功能.

例如,假设设计的仿真模型中节点1的电压表示数学方程(3)中的变量q0,节点2的电压表示数学方程中变量VE,则式(3)对应的仿真模型为:B10V= {ISO}*|τ*(EXP(V(2)VT)-1).

由此可得图1所示的二极管正、反向恢复特性的SPICE仿真子电路模型.

其模型清单为:

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,为了书写方便,该清单中的常数与式(1)~(6)中常数的对应关系为:TM=2T12;VTA=1/2VT;TAU=τ;ISl=2ISO.

二极管正反向恢复SPICE仿真模型的参数获取方法与文献[2,3]介绍的数学物理方程中参数的获取方法完全对应,在此不赘述.

图2a给出了应用上述改进的二极管仿真模型获得的反向恢复过程的电流波形.由图可见,改进的二极管仿真模型正确描述了反向电流尖峰和反向电流软恢复的特征.

图2b中波形①为正向恢复过程中功率二极管的导通压降,波形②为导通电流.由图可见,在时间t=191ns的完全导通时刻,二极管正向导通压降为 1.36V.而在t= 51ns的初始导通时刻,二极管的正向导通压降高达6.28V.由此可知,该模型能够正确地表征二极管的正向恢复过程.

4 结论

用SPICE类通用电路仿真与CAD软件研究电力电子器件和系统的关键是正确建立描述电力电子器件重要特性的数学物理模型.在分析功率二极管数学物理方程的基础上,获得了可正确描述正反向恢复过程的功率二极管仿真模型.该模型克服了标准二极管模型完全忽视正向恢复效应,对二极管反向恢复现象的模拟也会产生错误振荡的缺陷,具有一定的实际意义.

关键字:功率二极管  恢复特性  仿真研究 编辑:探路者 引用地址:快速功率二极管正反向恢复特性仿真研究

上一篇:功率MOSFET应用于开关电源注意的问题
下一篇:有助于防止激光二极管毁坏的激光仿真器

推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:25

基于分布式电源并网逆变器控制策略与仿真研究
  1 分布式电源并网逆变器系统设计   1.1 DC-DC变换器   DC-DC变换器是通过半导体阀器件的 开关 动作将直流电压先变为交流电压,经整流后又变为极性和电压值不同的直流电压的电路,这里要阐述的是中间经过变压器耦合的直流间接变换电路。DC-DC变换器在将直流电压变换为交流电压时频率是任意可选的,因此使用高频变压器能使变压器和电感等磁性元件和平波用 电容器 小型轻量化。如今,随着半导体阀器件的进步,输出功率为100 W以上的电源实际上采用的开关频率都在20~500kHz范围内,MHz级高频变换器也在开发研究之中。而且,通过变换频率的高频化,可以使平波用电容的容量减小,从而能够使用 陶瓷电容 等高可靠性的元件。而且,本
[电源管理]
基于分布式电源并网逆变器控制策略与<font color='red'>仿真研究</font>
基于EWB的D/A数模转换器的仿真研究
随着计算机技术的发展,电子设计自动化(EDA)技术得到了广泛的应用。EWB电子工作台作为一种功能强大的EDA计算机辅助设计和仿真软件[1],与其他电路仿真软件相比较,具有功能全面、界面直观、操作方便等优点。 DAC作为沟通模拟量和数字量的桥梁,在各种检测、控制和信号处理等技术领域得到日益广泛的应用。本文采用Electronics Workbench(EWB)构造了DAC的仿真模型,并给出了仿真结果。 1 仿真原理 DAC主要由模拟电子开关、电阻解码网络、求和运算放大器和基准电压源(或恒流源)组成,如图1所示。位权网络目前用得较多的是T形电阻网络,一个D/A转换器要使输出的模拟电压与输入的数字量成正比。图中,D是n位
[模拟电子]
200V Q系列二极管提供低反向恢复电荷和软开关特性
用于高能效电源转换的高性能电子元器件供应商Power Integrations(PI)最近推出了200V Qspeed系列高性能二极管,拓展了其原有的Qspeed系列二极管产品阵营。200V Q系列二极管可应用于硬开关或软开关的输出整流管等应用领域。 PI的Qspeed系列采用独特的硅基工艺,具有低反向恢复电荷(Qrr)和软开关电性。当PN硅二极管在导通和反向偏置器件关断时,电流将快速降至零,然后在二极管从正向导通中恢复时开始反向流经二极管,负电流与时间的乘积就被定义为反向恢复电荷。较低的Qrr值可降低MOSFET的开关损耗,能使设计产品在较高的频率下工作,从而可降低磁性元件的尺寸和成本。较低的Qrr值还可减小MOSFE
[电源管理]
基于多通道二极管功率探头实现精确功率测量
长期以来,功率计都是由功率计主机和经电缆连接的外部功率探头组合在一起。在功率探头中射频信号被转换成电压信号,经过放大,然后数字化,并在主机中显示。 此类功率计中,功率探头和功率计主机之间是纯模拟传输。这种方法的优点是可以为当前的任务选择合适的功率探头,而不需要新的功率计主机。但是其固有的缺点是功率探头不能独立工作,没有主机则无法使用。 然而,随着元器件日益微型化,以及现在小型、节能处理器的性能不断提升,情况已经改变。同时,现在能够将功率计制作成小型、集成单元,并且可通过标准的 USB接口直接将其连接到PC或功率计主机。这种情况下,主机不进行任何模拟信号处理,而是主要用于操作功率计和显示测量值。这种解决方案有显而易见的优 点
[电源管理]
基于多通道<font color='red'>二极管</font><font color='red'>功率</font>探头实现精确<font color='red'>功率</font>测量
模糊自适应PID在汽车底盘测功机中的仿真研究
    智能PID控制器把古典的PID控制与先进的专家系统相结合,实现系统的最佳调整。这种控制必须精确的确定系统的模型,首先将操作人员长期实践积累的经验知识用控制规则模型化,然后运用推理可对PID参数实现最佳调整。     文中在汽车底盘测功机控制的基础上,针对常用的工业对象模型,该系统模型具有变参数、强干扰、大滞后等特点,将模糊控制与自适应PID控制相结合,设计了模糊自适应PID控制器,能够实现对kp、ki、kd的自动在线调整。其仿真结果表明模糊自适应PID控制系统性能优于PID控制,且具有响应时间短,控制精度高,超调量小,稳定性好等优点,能够适应复杂对象的要求。 1 模糊自适应PID控制器 1.1 PID控制原理     PI
[嵌入式]
空调布局对机房内燕环境影响的试验与仿真研究
随着信息产业的蓬勃发展,通信机房设备集成度越来越高,发热量越来越大,导致机房温度控制成为数据中心节能的首要难题。对暖通专业来说,电子通信和数据机房的空调制冷要求也越来越高,在提高空调系统效率的同时降低能耗已成为空调系统设计、调试、安装、运行过程中的一项艰巨任务。关于机房专用空调能效比的研究已经取得了很大进展,但是对于整个机房环境的改善以及节能来说,提高空调系统能效比和改善机房内的冷量利用率同样重要,然而这一方面的研究目前还很少。根据文献可知,在现有技术条件下,通过提高机房冷量利用率,至少可以节省25%的冷量,因此,提高机房冷量利用率对于改善机房热管理以及节能具有非常重要的意义。 由于机房空调系统具有大风量、小焓差、高显热比、无新风
[电源管理]
空调布局对机房内燕环境影响的试验与<font color='red'>仿真研究</font>
混合有源电力滤波器的仿真研究
1 引言 电力电子产品广泛应用于工业控制领域,并且用户对电能质量要求越来越高,其中最为突出的是电压质量和谐波问题。因此,如何提高电压质量、治理谐波就成为输配电技术中最为迫切的问题之一。低成本的无源滤波器PF(Passive Filter)是目前普遍采用的补偿方法,但其滤波效果与系统运行参数密切相关,在特定情况下无源滤波器还可能与系统发生谐振。80年代以来,利用功率开关的有源电力滤波器APF(Active Power Filter)的研究越来越引起人们关注。APF是一种用于动态谐波抑制、无功补偿的新型电力电子装置,但是由于电源电压直接加在逆变桥上,其对开关器件电压等级要求较高;当负载谐波电流大时,有源滤波装置的容量也相应较大;对于
[电源管理]
混合有源电力滤波器的<font color='red'>仿真研究</font>
R&S发布用于快速准确功率测量的USB和LAN接口二极管功率探头
罗德与施瓦茨 发布了新的R&S NRPxxS 和 R&S NRPxxSN USB接口三通道二极管功率探头。 这些完全重新设计的功率探头具有迄今最快的测量速度和最高的测量准确度,即使测量低电平信号也是如此。型号R&S NRPxxSN可同时提USB和 LAN接口。 这两种型号都有三种可选择的频率范围: 10 MHz 至8 GHz或18 GHz 或 33 GHz 这是市场上同类产品中可选择频率范围最大的功率探头。 罗德与施瓦茨加强了其功率探头系列产品。新的三通道二极管功率探头产品具有更大的灵活性。除已有的USB接口探头外, 还有新的LAN接口探头。LAN接口是远距离远程控制的理想选择。 出众的测量速
[测试测量]
小广播
热门活动
换一批
更多
最新电源管理文章
更多精选电路图
换一换 更多 相关热搜器件
更多每日新闻
随便看看
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved