Casa > Notícies > Contingut

Comportament dinàmic del díode de potència del PIN i mètode d'extracció de paràmetres del model basat en la física

Jan 27, 2018

Com a component central del sistema electrònic de potència, el dispositiu de semiconductors de potència ha estat un component electrònic indispensable en la vida moderna, ja que va aparèixer als anys 70 del segle passat. Especialment en els últims anys, la presència de l'escassetat energètica mundial i la prova de deteriorament de l'entorn, per satisfer la demanda d'estalvi energètic i el desenvolupament de noves energies, és més àmpliament utilitzada per a la conversió i transformació d'energia del sistema electrònic, tot tipus de potència electrònica Els dispositius es dirigeixen a una gran capacitat i alta fiabilitat i una orientació modular. Com a component important, els díodes de potència s'utilitzen àmpliament en sistemes electrònics domèstics i sistemes electrònics industrials, sistemes electrònics d'automoció i trens de potència, xarxes intel·ligents, bucs i aeroespacials. Amb el desenvolupament del nivell de disseny del dispositiu de semiconductors de potència i la tecnologia de fabricació, s'han millorat molt les prestacions de díodes de potència, com ara el nivell de tensió, el corrent de conducció, la pèrdua de commutació i les característiques dinàmiques.


A causa de l'alt cost i la fàcil destrucció dels dispositius semiconductors de potència, la simulació per ordinador sol utilitzar-se en el disseny del sistema.

La precisió de la simulació del sistema electrònic de potència està determinada pel model i els paràmetres del model utilitzats per la simulació. Per aconseguir resultats orientatius precisos, fiables i pràctics, hem de tenir uns paràmetres precisos del model físic i només disposem de paràmetres físics precisos, de manera que el model de dispositiu semiconductor de potència té sentit.


Tanmateix, a causa del bloqueig tècnic dels fabricants de dispositius, els paràmetres precisos del model dels dispositius semiconductors de potència són difícils d'obtenir a través dels fabricants i els mètodes de prova convencionals, el que limita l'ús de models de simulació i la millora del nivell d'aplicació del dispositiu. Durant molts anys, com extreure amb precisió els paràmetres clau dins de la potència i els dispositius electrònics ha estat un tema candent en el camp de l'electrònica de potència. Les característiques dinàmiques de l'obertura i el tancament del díode pot reflectir l'estructura física interna, el mecanisme de treball i la distribució del transportista a la zona base. En primer lloc, es van determinar en l'anàlisi de l'estructura interna i les característiques dinàmiques del díode de potència PIN en funció dels paràmetres clau per determinar les seves característiques dinàmiques; a continuació, utilitzant el mètode de combinació de simulació dinàmica i algoritme d'optimització per optimitzar la identificació dels paràmetres clau del díode de potència; es verifica l'efectivitat del mètode proposat per a la identificació de paràmetres del díode de potència.


1 Estructura bàsica i característiques dinàmiques del díode de potència PIN

A la figura 1 es mostra el diagrama principal de l'estructura interna del díode de potència del tipus PIN i la distribució de la concentració d'operador. El díode PIN consisteix principalment en la regió P i la zona N i en la baixa concentració de dopatge de la regió I (regió N). A causa de l'addició de la regió I, els díodes PIN poden suportar un major voltatge de bloqueig. La resistència a la conducció dels díodes es pot reduir considerablement per la modulació de la conductància quan s'injecta a la zona base gran. Les característiques dinàmiques dels díodes de potència, incloses les característiques d'activació i apagada, estan determinades per la distribució de la portadora i el procés de canvi en l'àrea I, que es manifesta en les característiques de recuperació inversa i avançada dels díodes de potència.

1.png


1.1 Característiques d'obertura

La guia amb un període de conducció transitòria de díode anirà acompanyada d'un descens de tensió de voltatge d'ànode, després d'un període de temps d'estabilització i amb una caiguda de voltatge molt petita (vegeu figura 2). El procés de recuperació avançada del díode està influït principalment per la durada del plom, el paquet del dispositiu i l'efecte de la modulació de conductància a la regió N interna.

2.png


Sota grans condicions d'injecció, la concentració d'excés de portador determina la modulació de conductància a la regió de la deriva. La concentració de l'excés de transport a la regió de la deriva d'injecció està determinada per l'equació de continuïtat.


3.png


式 中 n - Excess concentració de portadora;

J n - densitat de corrent electrònica;

q - Import de càrrega de la unitat;

τ - L'excés de vida útil.


La tensió de sobrecàrrega avançada només es produeix quan els canvis actuals són molt ràpids i la durada és inferior a la vida composta. El corrent es determina principalment pel procés de difusió, i el procés compost es pot ignorar, de manera que la densitat de corrent electrònica és

4.png

Excess concentració de portadora

5.png


A la fórmula, D n és el coeficient de difusió d'electrons.

En el procés transitori de recuperació avançada, la densitat actual augmenta amb la velocitat d'a, i s'obté l'excés de concentració de portadora a la regió de la deriva.

6.png



La concentració total d'electrons a la regió de la deriva és

7.png

A una distància de X de la unió PN, es considera una petita secció del gruix de DX, i la resistència de la regió de la deriva és la mateixa.

8.png


Es pot obtenir la tensió de recuperació positiva.

9.png

Tipus T M - Difusió constant de pas;

V T - Temperatura i voltatge equivalent, V T = k T / q;

entre la constant de k Boltzmann, k = 1,38 × 10 -23 J / K;

T - Temperatura termodinàmica.


1.2 Desactiva la característica

Quan el díode de l'estat de conducció de sobte aplica una tensió inversa, la capacitat de bloqueig inversa del díode trigarà un temps de recuperació, que és el procés de recuperació inversa. El díode equival a un estat de curtcircuit abans de restaurar la capacitat de bloqueig. Tal com es mostra a la figura 3, de t = t f , el corrent continu I F del díode es redueix a la velocitat de d if / d t sota l'efecte de la tensió inversa aplicada. La velocitat de canvi de I F prové de la tensió inversa externa E I es determina la inductància L en el bucle,

10.png

Quan t = t 0 , el corrent del díode és igual a zero. Abans d'això, el díode està en el biaix davanter, i el corrent és corrent positiu. Després del temps t0, la caiguda de tensió davantera disminueix lleugerament, però continua sent biaix positiu, i el corrent comença a invertir la circulació i forma la recuperació inversa actual I RR . A t = t 1 vegada, la càrrega Q 1 a la regió de la deriva es bomba, la corrent inversa arriba al valor màxim de l'IRM i el díode comença a recuperar la capacitat de bloqueig. Després de l'hora T1, per al díode PIN, la concentració de portadora a la unió PN de la fase de recuperació és superior a la de les altres regions. Una vegada que la capa de càrrega espacial està configurada, es difon ràpidament a la regió N, escombrant ràpidament l'operador residual, causant una caiguda sobtada en el corrent invers. Com que el d irr / d t de la velocitat descendent actual és més gran, la tensió d'inducció de la línia generarà un voltatge d'inducció més alt. Aquesta tensió inductiva es superposa amb la tensió inversa aplicada al díode, de manera que el díode suportarà una alta tensió inversa VRM.


Després de t = t 2 , la d irr / dt disminueix gradualment a zero, la tensió d'inductància cau a zero, el díode restaura el bloc invers i entra a la fase de tensió inversa estàtica. El principal factor que afecta el procés de recuperació inversa és la càrrega de recuperació inversa, és a dir, l'import total de la càrrega Q rr s'elimina durant el procés de recuperació inversa.

11.png

Suposant que la concentració de portadora lliure a la regió de la deriva es pot linearitzar, es pot establir un procés de recuperació inversa quan el díode de potència estigui apagat a un ritme constant del canvi de corrent, tal com es mostra a la figura 4.

12.png

La distribució de la concentració de portadors de catenària basada en l'estat actual es pot substituir aproximadament per la variació lineal entre el valor mitjà de la part mitjana de la regió de la deriva i la concentració de x = 0 n (-d) a la concentració mitjana de portadora Na a x = b. La concentració d'aquests operadors és

13.png

Concentració de portadora mitjana a la regió de deriva

14.png

Tipus τ HL - Gran vida útil de la portadora d'excedent d'injecció;

J T - Densitat total de corrent de díode ànode;

J F --Demensió de corrent de corrent per a diodes;

L a - Longitud de difusió bipolar.


En la primera etapa del procés de desactivació, la densitat de corrent del rectificador del PIN canvia a partir de la densitat de corrent de l'estat del pas (J F ) a zero en el moment t 0 . Al final de la primera etapa, la distribució de l'operador es fa plana ja que el corrent és zero al final del temps t 0 . El canvi en la càrrega emmagatzemada en aquesta regió de deriva de fase és

15.png


Tipus a - Taxa de canvi de la densitat actual.

El moment del canvi actual a zero s'expressa com a

16.png

La segona etapa del procés de desactivació és el temps T 1 des del moment t 0 del corrent a zero fins a la unió P + N per començar a suportar la tensió. El temps T1 es pot obtenir analitzant la càrrega extreta de t = t 0 t o t = t 1 durant el tancament del procés transitori. Els càrrecs extrets durant aquest període són

17.png

El temps T 1 és

18.png

Quan la tercera fase del procés transitori s'apaga, la tensió sota el díode PIN comença a augmentar. Inicialment, l'àrea de càrrega espacial WSC (T) s'expandeix cap a l'exterior a mesura que avança el temps. En aquest procés, la càrrega emmagatzemada a la regió de la deriva s'extreu més, donant lloc a la disminució de la corrent inversa després de T 1 . Se suposa que el corrent és aproximadament constant quan s'extreu la càrrega d'emmagatzematge, i quan la unió P + N s'inverteix en el moment T 1 , la càrrega d'emmagatzematge extreta en el moment t és la mateixa.

19.png

Tensió de zona de càrrega espacial

20.png

Es pot expressar l'àrea de càrrega espacial com

21.png

La tensió de recuperació inversa és pico al final de t = t2 en la tercera etapa.