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Metodo di estrazione dei parametri del modello di comportamento dinamico basato su fisica e del diodo di alimentazione PIN
Jan 27, 2018

Come componente principale del sistema elettronico di potenza, il dispositivo a semiconduttore di potenza è stato un componente elettronico indispensabile nella vita moderna sin dagli anni '70 del secolo scorso. Soprattutto negli ultimi anni, il volto della carenza di energia globale e test di deterioramento dell'ambiente, al fine di soddisfare la domanda di risparmio energetico e sviluppo di nuove energie, la conversione e l'elaborazione di potenza del sistema elettronico di potenza è sempre più ampiamente utilizzato, tutti i tipi di elettronica di potenza i dispositivi sono verso la grande capacità e l'alta affidabilità e la direzione modulare. Come un componente importante, i diodi di potenza sono ampiamente utilizzati nell'elettronica per la casa e nei sistemi elettronici industriali, nei sistemi elettronici per autoveicoli e treni elettrici, nelle reti intelligenti, nelle navi e nei settori aerospaziale. Con lo sviluppo del livello di progettazione dei dispositivi a semiconduttore di potenza e della tecnologia di produzione, le prestazioni dei diodi di potenza, come il livello di tensione, la corrente di conduzione, la perdita di commutazione e le caratteristiche dinamiche, sono state notevolmente migliorate.


A causa dell'alto costo e della facile distruzione dei dispositivi a semiconduttore di potenza, la simulazione del computer viene solitamente utilizzata nella progettazione del sistema.

La precisione della simulazione del sistema elettronico di potenza è determinata dal modello e dai parametri del modello utilizzati dalla simulazione. Per ottenere risultati di guida precisi, affidabili e pratici, è necessario disporre di parametri del modello fisico accurati e disporre solo di parametri del modello fisico accurati, pertanto il modello del dispositivo a semiconduttore di potenza è significativo.


Tuttavia, a causa del blocco tecnico dei produttori di dispositivi, i precisi parametri del modello dei dispositivi a semiconduttore di potenza sono difficili da ottenere attraverso i produttori e i metodi di test convenzionali, il che limita l'uso di modelli di simulazione e il miglioramento del livello di applicazione del dispositivo. Per molti anni, come estrarre con precisione i parametri chiave all'interno della potenza e dei dispositivi elettronici è stato un tema caldo nel campo dell'elettronica di potenza. Le caratteristiche dinamiche dell'apertura e della chiusura del diodo di potenza possono riflettere la struttura fisica interna, il meccanismo di funzionamento e la distribuzione della portante nell'area di base. In primo luogo, nell'analisi della struttura interna e delle caratteristiche dinamiche del diodo di alimentazione PIN in base ai parametri chiave per determinare le loro caratteristiche dinamiche sono stati determinati; quindi utilizzando il metodo di combinazione della simulazione dinamica e dell'algoritmo di ottimizzazione per ottimizzare l'identificazione dei parametri chiave del diodo di potenza; viene verificata l'efficacia del metodo proposto per l'identificazione dei parametri del diodo di potenza.


1 Struttura di base e caratteristiche dinamiche del diodo di alimentazione PIN

La figura 1 mostra lo schema principale della struttura interna del diodo di alimentazione del tipo PIN e la distribuzione della concentrazione portante. Il diodo PIN è costituito principalmente dalla regione P e dalla zona N e dalla concentrazione bassa di drogaggio della regione I (regione N). A causa dell'aggiunta della regione I, i diodi PIN sono in grado di sopportare una tensione di blocco maggiore. La resistenza di conduzione dei diodi può essere notevolmente ridotta dalla modulazione della conduttanza quando iniettata su un'ampia area di base. Le caratteristiche dinamiche dei diodi di potenza, incluse le caratteristiche di accensione e spegnimento, sono determinate dalla distribuzione della portante e dal processo di cambio nell'area I, che si manifesta nelle caratteristiche di recupero in avanti e indietro dei diodi di potenza.

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1.1 Caratteristiche di apertura

La guida con un periodo di conduzione transitoria diodi sarà accompagnata da un picco di sovraoscillazione della tensione anodica, dopo un periodo di tempo da stabilizzare, e avrà una caduta di tensione molto piccola (vedere la Figura 2). Il processo di recupero in avanti del diodo è principalmente influenzato dalla lunghezza del cavo, dal pacchetto del dispositivo e dall'effetto della modulazione della conduttanza nella regione N interna.

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In condizioni di iniezione di grandi dimensioni, la concentrazione del vettore in eccesso determina la modulazione della conduttanza nella regione di deriva. La concentrazione di portante in eccesso nella regione di deriva di iniezione è determinata dall'equazione di continuità.


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式 中 n - concentrazione di vettore in eccesso;

J n - Densità di corrente elettronica;

q - Quantità di addebito unitario;

τ - Vita del vettore in eccesso.


La tensione di overshoot in avanti si verifica solo quando la corrente cambia molto velocemente e la durata è inferiore alla durata del composto. La corrente è determinata principalmente dal processo di diffusione e il processo composito può essere ignorato, quindi la densità di corrente degli elettroni è

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Eccessiva concentrazione di portatore

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Nella formula, D n è il coefficiente di diffusione elettronica.

Nel processo transitorio di recupero in avanti, la densità di corrente aumenta con la velocità di a, e si ottiene la concentrazione di portante in eccesso nella regione di deriva.

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La concentrazione totale di elettroni nella regione di deriva è

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A una distanza di X dalla giunzione PN, viene considerata una piccola sezione dello spessore di DX e la resistenza della regione di deriva è la stessa.

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La tensione di recupero positiva può essere ottenuta.

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Tipo T M - Defusione che passa costante;

V T - Temperatura e tensione equivalente, V T = k T / q;

tra kLa costante di Boltzmann, k = 1,38 × 10 -23 J / K;

T - Temperatura termodinamica.


1.2 Disattiva caratteristica

Quando il diodo nello stato di conduzione applica improvvisamente una tensione inversa, la capacità di blocco inverso del diodo richiederà un periodo di tempo per il ripristino, che è il processo di recupero inverso. Il diodo è equivalente a uno stato di cortocircuito prima che venga ripristinata la capacità di blocco. Come mostrato in figura 3, da t = t f , la corrente diretta I F del diodo viene ridotta alla velocità di d if / d t sotto l'effetto della tensione inversa applicata. Il tasso di variazione di I F è dalla tensione inversa esterna E E viene determinata l'induttanza L nel circuito,

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Quando t = t 0 , la corrente nel diodo è uguale a zero. Prima di questo, il diodo si trova sulla polarizzazione diretta e la corrente è positiva. Dopo il tempo t0, la caduta di tensione diretta è leggermente diminuita, ma è ancora polarizzazione positiva, e la corrente inizia a invertire la circolazione e forma la corrente di recupero inversa I RR . A t = t 1 volta, la carica Q 1 nella regione di deriva viene pompata via, la corrente inversa raggiunge il valore massimo di IRM e il diodo inizia a recuperare la capacità di blocco. Dopo il tempo T1, per il diodo PIN, la concentrazione della portante nella giunzione PN nella fase di recupero è superiore a quella nelle altre regioni. Una volta impostato lo strato di carica spaziale, si diffonde rapidamente nella regione N, spazzando rapidamente la portante residua, causando un improvviso calo della corrente inversa. Poiché il d irr / d t della velocità discendente corrente è maggiore, la tensione dell'induttore della linea genererà una maggiore tensione di induzione. Questa tensione induttiva viene sovrapposta alla tensione inversa applicata al diodo, in modo tale che il diodo resista a un VRM ad alta tensione inversa.


Dopo t = t 2 , il d irr / dt diminuisce gradualmente fino a zero, la tensione di induttanza scende a zero, il diodo ripristina il blocco inverso ed entra nella fase della tensione inversa statica. Il fattore principale che influisce sul processo di recupero inverso è il costo di recupero inverso, ovvero la quantità totale di addebito Q rr viene rimossa durante il processo di recupero inverso.

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Supponendo che la concentrazione di portante libera nella regione di deriva possa essere linearizzata, un processo di recupero inverso può essere stabilito quando il diodo di potenza viene spento a una velocità costante di cambiamento di corrente, come mostrato nella Figura 4.

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La distribuzione della concentrazione del trasportatore a catenaria basata sullo stato corrente può essere approssimativamente sostituita dalla variazione lineare tra il valore medio della parte centrale della regione di deriva e la concentrazione di x = 0 n (-d) rispetto alla concentrazione media portante Na a x = b. La concentrazione di questi vettori è

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Concentrazione media portante nella regione di deriva

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Tipo τ HL - Grande durata del portatore in eccesso di iniezione;

J T - Densità di corrente totale dell'anodo diodo;

J F - Densità di corrente diretta del diodo;

L a - Lunghezza di diffusione bipolare.


Al primo stadio del processo di spegnimento, la densità di corrente del raddrizzatore PIN cambia dalla densità di corrente dello stato del passaggio (J F ) a zero al momento t 0 . Alla fine del primo stadio, la distribuzione dell'operatore diventa piatta perché la corrente è zero alla fine del tempo t 0 . La variazione della carica immagazzinata in questa regione di deriva di fase è

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Tipo a - Tasso di variazione della densità di corrente.

Il momento t 0 della variazione attuale a zero è espresso come

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Il secondo stadio del processo di spegnimento è il tempo T 1 dal momento t 0 della corrente a zero alla giunzione P + N per iniziare a resistere alla tensione. Il tempo T1 può essere ottenuto analizzando la carica estratta da t = t 0 t o t = t 1 durante l'arresto del processo transitorio. Le accuse estratte durante questo periodo sono

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Il tempo T 1 è

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Quando la terza fase del processo transitorio è disattivata, la tensione sotto il diodo PIN inizia ad aumentare. Inizialmente, l'area di carica spaziale WSC (T) si espande verso l'esterno con il passare del tempo. In questo processo, la carica immagazzinata nella regione di deriva viene ulteriormente estratta, con conseguente diminuzione della corrente inversa dopo T 1 . Si presume che la corrente sia approssimativamente costante quando si estrae la carica di accumulo e quando la giunzione P + N viene invertita nel momento T 1 , la carica di conservazione estratta nel momento t è la stessa.

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Tensione della zona di carica spaziale

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L'area di carica dello spazio può essere espressa come

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La tensione di recupero inversa è il picco alla fine di t = t2 al terzo stadio.