功率二极管正向恢复特性地研究.pdfVIP

功率二极管正向恢复特性的研究 深圳大学胡庆彬卢元元 摘要 本文对功率二极管的正向恢复过程和特性进行了较深入的分折、探讨和仿真 研究，得出了一些有实际意义的结论． 关键词：功率二极管正向恢复瞬态特性模型仿真 。引言 功率二极管是电子电源的重要器件，在高频功率整流，功率自关断器件的保护等快速应 用中，其开关瞬态特性是电气工程师考虑的首要因素．功率二极管从截止到充分导通要经历 一个正向恢复过程；从导通到可靠截止要经历一个反向恢复过程．这两个概念在功率二极管 的快速应用中十分重要，本文对功率二极管的正向恢复特性进行了较深入的分析和研究． 1功率二极管的正向恢复模型 普通二极管的基本结构是单向导电的pn结，其数学模型在50年代已基本确立，如图1 所示．它由二极管的材料体电阻h．非线性受控电流源i；和二极管等效电容cl构成，由14个 参数描述”J，可精确地反映二极管的直流和交流特性，在电子和微电子电路的辅助设计领域得 到广泛应用，著名的SPICE及其派生的电路仿真软件都是采用这种模型． 图I普通二授管模型 图3导通过程载漉千浓度分布变化图 图2功率二设臂正向恢复过程典型曲线 功率二极管的结构和工作条件与普通二极管有较大的差别，功率二极管主要有pn(pn和 pn+)和p-i．n(p*n‘n+)两种结构．功率二极管在正向导通时，载流密度高，载流子是高浓度注入 管，在i1区(对p-i一11管，在n+区)的过剩载流子浓度分布的形成和消散过程是决定功率二极管 开．关瞬态特性的主要因素．普通二极管模型没有考虑功率二极管开关过程的这一物理现象， 困此不能正确描述其开，关过程的正、反向恢复特性． 功率二极管突加正向电压，在导通的初期二极管两端会出现较大的瞬态压降(几伏～几十 一116— 伏)，经历一定时间后才能进入稳态，压降很小(约1伏)，典型的特性曲线如图2所示．二极管的 端电压为二极管体电阻rs的压降和pn结结电压的叠加．当t=0时，二极管加正向电压，pn 结变窄，多数载流子加速越过pn结注入另一区．以空穴运动为例，注入N区的空穴首先积聚 在pn结的N区边界，并逐渐向N区的x轴方向扩散．在扩散过程中，不断与电子复和，使 空穴在N区形成一定的浓度分布，如图3所示．理论分析证明，在pn结的N区边界处浓度 最大，然后沿N区的x轴方向按指数规律衰减．在正向恢复过程中有3个要点：(1)pn结的 压降由小增大，使穿越pn结的空穴浓度逐渐增大到与稳态正向电流Ir相应的值；(2)N区中空穴 的浓度分布需要一定的时间才能由小到大，形成与Ir相应的分布，如图3所示；(3)随着N区过 剩少数载流子(空穴)浓度的增加，电导调节效应增强，二极管材料的体电阻由高阻值迅速降低， 二极管两端的正向压降迅速减小，过渡过程结柬．功率二极管在正向恢复过程中，pn结的压 降变化不大(约o．7V)，引起正向导通过程中瞬态高电压的主要原因是rs的变化．根据文献“1 拍h，班蹦t一扣熹券‰…，， I，：!!±竺墨坚三!：!三型 I 2r-eUafd Prf(“)：一2 只o+6+H。 4Jr、， 式中：erf(u)为余误差函数；Ro是电流为零时二极管材料的体电阻；6=珥／‰，‰和％ 分别为电子和空穴的迁移率；t。为空穴的寿命；p．o和H。o分别为平衡状态时N区的空穴和电 子的密度；h为N区宽度的标么值；肼0=D．户嘞为稳定导通后，N区pn结边界处空穴的密 度．对上式分析可见：在功率二极管加正向电压的瞬刻(t卸)，r。最大，等于Ro：在正向导通的 rs由大变小，最后收敛到一个常数，它就 过渡过程中，随着t的增大，erf(√，／r。)增大， 是二设管稳定导通时的体电阻；正向电流越大，西O=q卢砷越大，，越大，即二极管稳定导 通时的体电阻越小． 参数库进行分析表明：在这些库中k都是常数，等于稳定导通时二极管的体电阻，因此都不 能反映二极管的正向恢复特性，笔者用它们进行仿真实验也证明了这一点．