技術分享：快速功率二極管正反向恢復特性仿真研究

1 引言

在弧焊逆變器中，大功率快恢復二極管的瞬態(tài)過渡過程和特性對于高頻整流和主開關器件的正常工作具有至關重要的影響。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調制和電荷存儲效應，其開、關狀態(tài)的改變需要一定的時間。在正向恢復過程中，開通初期出現(xiàn)高出正常通態(tài)壓降2~10倍的電壓尖峰；而在反向恢復過程中，關斷初期不能承受反向電壓而產生較高的反向電流。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特性。

SPICE標準二極管模型完全忽視了正向恢復效應,對二極管反向恢復現(xiàn)象的模擬也會產生錯誤的振蕩。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，根據功率二極管內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，對功率二極管的電路仿真模型進行深入探討。

2 功率二極管的數學物理方程

功率二極管的數學物理方程由反向恢復、正向恢復、發(fā)射區(qū)復合方程以及包括接觸電阻和結電容的總變量方程等4部分組成。

2.1 反向恢復的方程

2.2 正向恢復的方程

2.3 發(fā)射區(qū)的載流子復合

2.4 包括接觸電阻和結電容的總變量方程

3 二極管正反向恢復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學方程轉化為電路仿真模型的功能。

例如，假設設計的仿真模型中電壓的變量q0，電壓表示數學方程中變量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)的關鍵是正確建立描述電力電子器件重要特性的數學物理模型。在分析功率二極管數學物理方程的基礎上，獲得了可正確描述正反向恢復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效應，對二極管反向恢復現(xiàn)象的模擬也會產生錯誤振蕩的缺陷，具有一定的實際意義。