快速功率二极管正反向恢复特性仿真研究

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.