技术分享：快速功率二极管正反向恢复特性仿真研究

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。

功率二极管存在显著的电导调制和电荷存储效应，其开、关状态的改变需要一定的时间。在正向恢复过程中，开通初期出现高出正常通态压降2~10倍的电压尖峰；而在反向恢复过程中，关断初期不能承受反向电压而产生较高的反向电流。为准确表征弧焊逆变器的动态过程，功率二极管的仿真模型必须能正确反映正向和反向的恢复特性。

SPICE标准二极管模型完全忽视了正向恢复效应,对二极管反向恢复现象的模拟也会产生错误的振荡。国际上许多文献对功率二极管的实用仿真模型进行了大量研究”，其中基于集中电荷的概念，根据功率二极管内部载流子的简化输运方程，成功地给出了可以同时正确描述二极管正、反向恢复瞬态过程的仿真模型。以下将以 C L Ma和P O Lauritizen的系列研究为基础，对功率二极管的电路仿真模型进行深入探讨。

2 功率二极管的数学物理方程

功率二极管的数学物理方程由反向恢复、正向恢复、发射区复合方程以及包括接触电阻和结电容的总变量方程等4部分组成。

2.1 反向恢复的方程

2.2 正向恢复的方程

2.3 发射区的载流子复合

2.4 包括接触电阻和结电容的总变量方程

3 二极管正反向恢复SPICE仿真模型

运用非线性受控源B元素，SPICE3.0以上版本具有直接将数学方程转化为电路仿真模型的功能。

例如，假设设计的仿真模型中电压的变量q0，电压表示数学方程中变量VE，则仿真模型方程式为：B10V= {ISO}*|τ*(EXP(V(2)VT)-1)。

4 结论

用SPICE类通用电路仿真与CAD软件研究电力电子器件和系统的关键是正确建立描述电力电子器件重要特性的数学物理模型。在分析功率二极管数学物理方程的基础上，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，具有一定的实际意义。