元器件应用中的快速功率二极管正反向恢复特性仿真研究

摘要:在国内外电力电子领域对功率二极管模型研究成果的基础上,利用计算机仿真技术,从数学物理模型和电路模型两方面,对快速功率二极管的反向恢复特性进行了较深入的研究,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,因此具有较好的现实意义.  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 在电力电子领域，快速功率二极管是一种关键的元件，特别是在弧焊逆变器等高频应用中，其正反向恢复特性对系统性能至关重要。正反向恢复特性指的是二极管从导通状态转变到截止状态，或者从截止状态转变为导通状态时，电流和电压的变化行为。这一过程涉及复杂的电荷存储和电导调制效应，可能导致电压尖峰和电流振荡，对设备造成损害。 在二极管的正向恢复过程中，二极管在关闭时会产生一个短暂的高电压尖峰，这是由于载流子的快速消散导致的。而反向恢复阶段则涉及到二极管在由导通转向截止时，反向电流不能立即降至零，而是经历一个过渡期，这可能会引起电路中的反向电流冲击，对与之并联的器件如IGBT产生不利影响。 传统的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）标准二极管模型无法精确模拟这些复杂现象，因为它忽略了正向恢复效应，并且在反向恢复过程中可能出现不准确的振荡。因此，研究人员开发了更高级的仿真模型，这些模型基于集中电荷概念，结合功率二极管内部载流子的运动方程，能够同时准确描述二极管的正向和反向恢复瞬态过程。 数学物理模型是理解二极管恢复特性的基础。例如，反向恢复的方程包括扩散电流的决定因素，如界面附近的电荷变量、电荷变化率以及pn结的注入电荷水平变量等。正向恢复的方程则涉及i区的电压变化，这与该区域的总电流和电荷有关。此外，发射区的载流子复合以及接触电阻和结电容的总变量方程也是模型的重要组成部分。 在SPICE仿真中，非线性受控源B元素被用来构建更精确的二极管模型，以模拟这些复杂的动态过程。这样的模型能够更真实地反映出实际应用中二极管的行为，从而帮助工程师优化设计，避免潜在的问题，提高系统的稳定性和可靠性。 快速功率二极管的正反向恢复特性是电力电子系统设计的关键考量因素。通过深入研究和精确的仿真模型，可以更好地理解和控制这些特性，从而改进弧焊逆变器等应用的性能。对这些模型的持续发展和改进，不仅有助于解决现有问题，还能为未来的功率电子技术提供理论支持和实践指导。