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Dynamisches Verhalten der PIN-Leistungsdiode und Physik-basierte Modellparameter-Extraktionsmethode
Jan 27, 2018

Als Kernkomponente leistungselektronischer Systeme ist Leistungshalbleiter eine unverzichtbare elektronische Komponente im modernen Leben, seit es in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts erschien. Vor allem in den letzten Jahren, das Gesicht der globalen Energieknappheit und Umweltverschlechterung Test, um die Nachfrage nach Energieeinsparung und neue Energieentwicklung zu erfüllen, wird Leistungselektronik Leistungsumwandlung und Verarbeitung mehr und mehr verwendet, alle Arten von Leistungselektronik Geräte ist in Richtung große Kapazität und hohe Zuverlässigkeit und modulare Richtung. Als eine wichtige Komponente werden Leistungsdioden in der Haushaltselektronik und industriellen elektronischen Systemen, Automobil- und Antriebsstrang-Elektroniksystemen, Smart-Grid-, Schiff- und Luftfahrtfeldern weit verbreitet verwendet. Mit der Entwicklung des Leistungshalbleiterbauteil-Designlevels und der Herstellungstechnologie wurden die Leistungen von Leistungsdioden, wie zum Beispiel Stehspannungspegel, Leitungsstrom, Schaltverlust und dynamische Eigenschaften, stark verbessert.


Wegen der hohen Kosten und der einfachen Zerstörung der Leistungshalbleitervorrichtungen wird die Computersimulation gewöhnlich in der Konstruktion des Systems verwendet.

Die Genauigkeit der Simulation des Leistungselektroniksystems wird durch die Modell- und Modellparameter bestimmt, die von der Simulation verwendet werden. Um genaue, zuverlässige und praktische Führungsergebnisse zu erhalten, müssen wir genaue physikalische Modellparameter haben und nur genaue physikalische Modellparameter haben, so dass das Leistungshalbleiter-Gerätemodell aussagekräftig ist.


Aufgrund der technischen Blockade von Geräteherstellern sind die genauen Modellparameter von Leistungshalbleitervorrichtungen jedoch nur schwer durch Hersteller und herkömmliche Testmethoden zu bekommen, was die Verwendung von Simulationsmodellen und die Verbesserung des Geräteanwendungsniveaus beschränkt. Seit vielen Jahren ist es ein heißes Thema auf dem Gebiet der Leistungselektronik, wie die Schlüsselparameter in den Leistungs- und elektronischen Geräten genau zu extrahieren sind. Die dynamischen Eigenschaften des Öffnens und Schließens der Leistungsdiode können die innere physikalische Struktur, den Arbeitsmechanismus und die Verteilung des Trägers im Basisbereich widerspiegeln. Zunächst wurden bei der Analyse der internen Struktur und der dynamischen Eigenschaften der PIN-Leistungsdiode basierend auf den Schlüsselparametern ihre dynamischen Eigenschaften bestimmt; dann Verwenden des Verfahrens zum Kombinieren eines dynamischen Simulations- und Optimierungsalgorithmus, um die Identifikation der Schlüsselparameter der Leistungsdiode zu optimieren; die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Verfahrens zur Parameteridentifikation der Leistungsdiode wird verifiziert.


1 Grundlegende Struktur und dynamische Eigenschaften der PIN-Leistungsdiode

Abbildung 1 zeigt das Prinzipschaltbild der internen Struktur der PIN-Leistungsdiode und der Trägerkonzentrationsverteilung. Die PIN-Diode besteht hauptsächlich aus der P-Region und der N-Zone und der niedrigen Dotierungskonzentration der I-Region (N-Region). Aufgrund der zusätzlichen I-Region können PIN-Dioden höhere Sperrspannungen aushalten. Der Leitungswiderstand von Dioden kann durch Leitfähigkeitsmodulation stark reduziert werden, wenn er bei einer großen Basisfläche injiziert wird. Die dynamischen Eigenschaften von Leistungsdioden, einschließlich der Einschalt- und Ausschaltcharakteristika, werden durch die Trägerverteilung und den Änderungsprozeß im I-Bereich bestimmt, was sich in den Vorwärts- und Rückwärts-Rückgewinnungseigenschaften von Leistungsdioden zeigt.

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1.1 Öffnungseigenschaften

Die Führung mit einer transienten Diodendurchleitungsperiode wird begleitet von einem Überspannungsspitzenwert der Anodenspannung, nach einer Zeitspanne, um sich zu stabilisieren, und hat einen sehr geringen Spannungsabfall (siehe 2). Der Vorwärts-Wiederherstellungsprozess der Diode wird hauptsächlich durch die Länge der Leitung, das Gehäuse der Vorrichtung und die Wirkung der Leitfähigkeitsmodulation in der internen N-Region beeinflusst.

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Unter großen Injektionsbedingungen bestimmt die Konzentration des überschüssigen Trägers die Leitfähigkeitsmodulation in der Driftregion. Die überschüssige Ladungsträgerkonzentration in der Einspritzdrift-Region wird durch die Kontinuitätsgleichung bestimmt.


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式 中 n - Überschüssige Trägerkonzentration;

J n - Elektronenstromdichte;

q - Ladeeinheitsmenge;

τ - Überschüssige Trägerlebensdauer.


Die Vorwärtsüberspannung tritt nur auf, wenn sich der Strom sehr schnell ändert und die Dauer geringer ist als die Lebensdauer der Verbindung. Der Strom wird hauptsächlich durch den Diffusionsprozess bestimmt, und der zusammengesetzte Prozess kann ignoriert werden, also ist die Elektronenstromdichte

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Überschüssige Trägerkonzentration

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In der Formel ist D n der Elektronendiffusionskoeffizient.

In dem Übergangsprozeß der Vorwärtswiederherstellung erhöht sich die Stromdichte mit der Rate von a, und die überschüssige Ladungsträgerkonzentration in der Driftregion wird erhalten.

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Die Gesamtelektronenkonzentration in der Driftregion ist

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In einem Abstand von X von dem PN-Übergang wird ein kleiner Abschnitt der Dicke von DX betrachtet, und der Widerstand der Driftregion ist der gleiche.

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Die positive Wiederherstellungsspannung kann erhalten werden.

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Typ T M - Diffusionskonstante bei Durchströmung;

V T - Temperatur- und Spannungsäquivalent, V T = k T / q;

unter kDie Boltzmann-Konstante, k = 1,38 × 10 -23 J / K;

T - Thermodynamische Temperatur.


1.2 Abschaltcharakteristik

Wenn die Diode im leitenden Zustand plötzlich eine Sperrspannung anlegt, dauert die Rücksperrfähigkeit der Diode eine gewisse Zeit, um sich zu erholen, was der umgekehrte Wiederherstellungsprozess ist. Die Diode entspricht einem Kurzschlusszustand, bevor die Blockierfähigkeit wiederhergestellt ist. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, wird von t = tf der Vorwärtsstrom I der Diode mit der Rate von d if / d t unter der Wirkung der angelegten Sperrspannung reduziert. Die Änderungsrate von I F ergibt sich aus der externen Sperrspannung E und die Induktivität L in der Schleife wird bestimmt.

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Wenn t = t 0 , ist der Strom in der Diode gleich Null. Davor ist die Diode auf Vorwärtsspannung und der Strom ist positiv. Nach der Zeit t0 ist der Durchlassspannungsabfall leicht verringert, aber es ist immer noch eine positive Vorspannung, und der Strom beginnt, die Zirkulation umzukehren und bildet den Sperrverzögerungsstrom I RR . Zum Zeitpunkt t = t 1 wird die Ladung Q 1 in der Driftregion abgepumpt, der Sperrstrom erreicht den Maximalwert von IRM und die Diode beginnt, die Sperrfähigkeit wiederherzustellen. Nach der T1-Zeit ist für die PIN-Diode die Ladungsträgerkonzentration am PN-Übergang in der Erholungsphase höher als in den anderen Bereichen. Sobald die Raumladungsschicht aufgebaut ist, breitet sie sich schnell in der N-Region aus, wobei der restliche Träger schnell ausgeleitet wird, was einen plötzlichen Abfall des Gegenstroms verursacht. Da dirr / dt der Stromabstiegsgeschwindigkeit größer ist, wird die Induktionsspannung der Leitung eine höhere Induktionsspannung erzeugen. Diese induktive Spannung wird der angelegten Sperrspannung der Diode überlagert, so dass die Diode einer hohen Sperrspannung VRM standhält.


Nach t = t 2 nimmt d irr / dt allmählich auf Null ab, die Induktivitätsspannung fällt auf Null ab, die Diode stellt den Umkehrblock wieder her und tritt in die Phase der statischen Sperrspannung ein. Der Hauptfaktor, der den Rückwärtserholungsprozess beeinflusst, ist die umgekehrte Rückgewinnungsladung, das heißt, die Gesamtladungsmenge Qrr wird während des Rückwärtserholungsprozesses entfernt.

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Unter der Annahme, dass die freie Ladungsträgerkonzentration in der Driftregion linearisiert werden kann, kann ein Sperrverzögerungsvorgang eingerichtet werden, wenn die Leistungsdiode bei einer konstanten Rate der Stromänderung abgeschaltet wird, wie in 4 gezeigt.

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Die Oberleitungs-Trägerkonzentrationsverteilung basierend auf dem aktuellen Zustand kann näherungsweise ersetzt werden durch die lineare Variation zwischen dem Mittelwert des mittleren Teils der Drift-Region und der Konzentration von x = 0 n (-d) zur mittleren Trägerkonzentration Na bei x = b. Die Konzentration dieser Träger ist

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Mittlere Trägerkonzentration in der Driftregion

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Typ & tgr; HL - Large-injection-Überschuss-Träger-Lebensdauer;

J T - Gesamtstromdichte der Diodenanode;

J F - Vorwärtsstromdichte der Diode;

La - bipolare Diffusionslänge.


In der ersten Stufe des Ausschaltvorgangs ändert sich die Stromdichte des PIN-Gleichrichters von der Durchlaßzustands-Stromdichte (J F ) zum Zeitpunkt t 0 auf Null. Am Ende der ersten Stufe wird die Trägerverteilung flach, weil der Strom am Ende der Zeit t 0 Null ist. Die Änderung der Ladung, die in diesem Phasendriftbereich gespeichert ist, ist

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Typ a - Änderungsrate der Stromdichte.

Der Zeitpunkt t 0 der aktuellen Änderung auf Null wird ausgedrückt als

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Die zweite Stufe des Abschaltprozesses ist die T 1 -Zeit von dem Zeitpunkt t 0 des Stroms zu Null bis zu dem P + N- Übergang, um damit zu beginnen, der Spannung zu widerstehen. Die Zeit T1 kann erhalten werden durch Analysieren der Ladung, die während des Abschaltens des Übergangsprozesses aus t = t & sub0; to t = t & sub1; extrahiert wird. Die Gebühren, die während dieses Zeitraums extrahiert werden, sind

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Zeit T 1 ist

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Wenn die dritte Phase des Übergangsprozesses ausgeschaltet wird, beginnt die Spannung unter der PIN-Diode anzusteigen. Anfänglich expandiert die Raumladungszone WSC (T) mit der Zeit nach außen. In diesem Prozess wird die Ladung, die in der Driftregion gespeichert ist, weiter extrahiert, was zu einer Abnahme des Rückstroms nach T 1 führt . Es wird angenommen, dass der Strom ungefähr konstant ist, wenn die Speicherladung extrahiert wird, und wenn der P + N- Übergang zum Zeitpunkt T 1 umgekehrt wird, ist die zum Zeitpunkt t extrahierte Speicherladung die gleiche.

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Raumladungszonenspannung

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Die Raumladungszone kann ausgedrückt werden als

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Die Sperrverzögerungsspannung hat ihren Spitzenwert am Ende von t = t2 in der dritten Stufe.