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
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/328608.htm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的電導(dǎo)調(diào)制和電荷存儲效應(yīng),其開、關(guān)狀態(tài)的改變需要一定的時間。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。為準確表征弧焊逆變器的動態(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標準二極管模型完全忽視了正向恢復(fù)效應(yīng),對二極管反向恢復(fù)現(xiàn)象的模擬也會產(chǎn)生錯誤的振蕩。國際上許多文獻對功率二極管的實用仿真模型進行了大量研究”,其中基于集中電荷的概念,根據(jù)功率二極管內(nèi)部載流子的簡化輸運方程,成功地給出了可以同時正確描述二極管正、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),對功率二極管的電路仿真模型進行深入探討。
2 功率二極管的數(shù)學物理方程
功率二極管的數(shù)學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
運用非線性受控源B元素,SPICE3.0以上版本具有直接將數(shù)學方程轉(zhuǎn)化為電路仿真模型的功能。
例如,假設(shè)設(shè)計的仿真模型中電壓的變量q0,電壓表示數(shù)學方程中變量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)學物理模型。在分析功率二極管數(shù)學物理方程的基礎(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。該模型克服了標準二極管模型完全忽視正向恢復(fù)效應(yīng),對二極管反向恢復(fù)現(xiàn)象的模擬也會產(chǎn)生錯誤振蕩的缺陷,具有一定的實際意義。
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