功率ＰＩＮ二極管ＰＳｐｉｃｅ子電路模型

摘 要：提出一種改進(jìn)的PIN二極管子電路模型。該模型能夠反映PIN二極管的瞬態(tài)開關(guān)特性，將基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)考慮在內(nèi)。通過(guò)PSpice軟件瞬態(tài)仿真PIN二極管的正向直流、反向恢復(fù)特性。利用該子電路對(duì)新型SiC材料PIN二極管建模仿真，仿真結(jié)果表明運(yùn)用新材料對(duì)二極管開關(guān)性能有顯著提高。

關(guān)鍵詞：PIN二極管；電路模型PSpice仿真；碳化硅；瞬態(tài)開關(guān)特性

中圖分類號(hào)：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)06-141-03

A New Power PIN Diode PSpice Subcircuit Model

SHENG Dingyi，YANG Geng，TAN Jichun，YANG Yuchuan

(Science School，National University of Defense Technology，Changsha，410073，China)

Abstract：An improved PIN diode PSpice subcircuit model is proposed in this paper.The model takes into consideration of the conductivity modulation in the base and is able to accurately simulate switching behavior of PIN diodes.PSpice simulation results of PIN diode are presented，including forward V-A characteristic and reverse recovery.The subcircuit is also used to model a new SiC PIN diode.Simulation results indicate that using SiC PIN diodes can greatly improve the switching performance.

Keywords：PIN diode；PSpice simulation；SiC；transient switching characteristics

1 引 言

二極管在電子技術(shù)領(lǐng)域是一種必不可少的器件，但是對(duì)電路開發(fā)者而言缺少一個(gè)這樣的模型，該模型要能準(zhǔn)確反映出二極管的瞬態(tài)開關(guān)特性和高頻電特性。目前電路模擬廣泛使用的SPice程序中，二極管模型由導(dǎo)通進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的特性是跳變曲線，也沒(méi)有考慮他的正向恢復(fù)特性，不能描述其開關(guān)特性。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究人員多側(cè)重于電力電子應(yīng)用的PIN二極管的研究^[1-4]，對(duì)高開關(guān)速度、高擊穿電壓、寬工作頻帶的PIN管的研究較少。本文在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)的PIN管子電路模型，能夠仿真PIN二極管的瞬態(tài)開關(guān)特性，并且探索將這種子電路模型應(yīng)用于對(duì)第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)PIN管的建模。對(duì)SiC材料PIN管建模的研究在國(guó)內(nèi)還未見相關(guān)報(bào)道。

2 電路模型

對(duì)于一個(gè)基區(qū)寬度為ω，摻N型雜質(zhì)的PIN二極管，結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩邊的PN結(jié)jPI和jIN可以用普通的PN結(jié)二極管模擬，關(guān)鍵是中間的I層。I層電荷的存儲(chǔ)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，他決定了PIN二極管開關(guān)的尖鋒泄漏、插入損耗和恢復(fù)時(shí)間等諸多瞬態(tài)特性。

圖1 PIN二極管結(jié)構(gòu)

式(2)中Z0=τ/(1+sτ)；T0=x2m/Dα；τ代表載流子復(fù)合壽命；xm計(jì)算中可取ω/2。式(2)所描述的I層電荷存儲(chǔ)關(guān)系可以用圖2所示電路網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬。電壓源Q0驅(qū)動(dòng)一個(gè)梯型RC網(wǎng)絡(luò)，輸出即為二極管電流I。

圖2 I層等效電路\\[6\\]

完整的PIN二極管子電路模型還包括用來(lái)模擬結(jié)jPI和jIN的理想二極管，以及由封裝引入的寄生參量引線電感Lbond和管殼封裝電容Cpack。子電路如圖3所示。

圖3 PIN二極管子電路模型

3 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，這里選取AI公司的PIN二極管SMP1352-005進(jìn)行建模仿真，他是一種表面封裝的雙管反向并聯(lián)PIN管，專為大信號(hào)開關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可以適用在從10 MHz到超過(guò)2 GHz的寬頻帶范圍，其主要技術(shù)參數(shù)為：I層厚度50 μm，載流子壽命1.5 μs，結(jié)電容0.3 pF。由廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)抽取模型參數(shù)，二極管PSpice子電路模型主要參數(shù)見表1。

表1 PIN二極管子電路模型中部分模型參數(shù)

利用圖3模型通過(guò)PSpice仿真得到PIN二極管正向直流伏安特性如圖4所示。圖中對(duì)正向電流使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)顯示了從10～100 mA電流范圍的仿真情況。仿真結(jié)果與實(shí)際器件特性相符合得很好。數(shù)據(jù)手冊(cè)給出25 ℃時(shí)在10 mA正向電流下測(cè)得的電壓為0.8 V，這個(gè)值與圖4(a)一致，但是比圖4(b)給出的值大了0.02 V左右。稍微的誤差可能來(lái)自仿真電路參數(shù)與廠家測(cè)試條件不一致。圖5給出了PIN二極管的反向恢復(fù)電流。

圖4 PIN二極管直流伏安特性

圖5 PIN二極管反向恢復(fù)電流

4 SiC功率PIN二極管建模仿真

借助于現(xiàn)代微電子技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，以硅器件為基礎(chǔ)的電力電子技術(shù)已臻于成熟。目前，這些器件的開關(guān)性能已隨其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的完善而接近其由材料特性決定的理論極限，依靠硅器件繼續(xù)完善和提高電力電子裝置與系統(tǒng)性能的潛力已十分有限。在功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域目前發(fā)展最快也極具應(yīng)用前景的材料是以碳化硅為代表的第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料。碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的8倍，熱導(dǎo)率性能是硅的3倍，其電子飽和漂移速度也是硅的2倍，更有利于提高器件的抗輻射性能，熱穩(wěn)定性以及工作頻率^[7]。

仍然考慮一個(gè)I層厚度50 μm的6H-SiC材料PIN二極管，其禁帶寬度3 eV，極限擊穿場(chǎng)強(qiáng)取Ec=1.2×106 V#8226;cm-1，載流子壽命140 ns，內(nèi)建電勢(shì)差為1.3 V。由式VB=w#8226;Ec/2，和ND=ε#8226;E2c/2qVB得到管子的反向擊穿電壓3 000 V，漂移區(qū)雜質(zhì)濃度約1015cm-3[5，6，12]。對(duì)圖3模型用6H-SiC物理性質(zhì)參數(shù)修改后仿真得到碳化硅器件的正向伏安特性和反向恢復(fù)特性分別如圖6和圖7所示。

圖6 6H-SiC PIN二極管正向伏安特性

圖7 6H-SiC PIN二極管反向恢復(fù)電流

圖6顯示管子導(dǎo)通電壓在1 V左右。圖7顯示在反向電壓800 V，管子由正向?qū)?正向電流9 A)進(jìn)入反向截止的反向恢復(fù)時(shí)間約為200 ns，峰值反向電流在10 A左右。因?yàn)榈谌雽?dǎo)體材料生長(zhǎng)與器件制造工藝存在諸多困難，有生產(chǎn)能力的企業(yè)很少，商用SiC功率PIN二極管在市場(chǎng)上還不多見。模型的準(zhǔn)確性雖然缺少實(shí)際器件來(lái)驗(yàn)證，但此處SiC功率PIN二極管模型是圖3建模方法的合理推廣，仿真結(jié)果能夠反映出二極管的瞬態(tài)開關(guān)特性，為SiC功率PIN二極管的研究提供了一個(gè)新方法。

5 結(jié) 語(yǔ)

一個(gè)準(zhǔn)確的二極管模型對(duì)電路仿真至關(guān)重要，他影響到電路功率損耗的計(jì)算，預(yù)估電路電磁兼容性，還有對(duì)瞬態(tài)開關(guān)性能的評(píng)價(jià)。本文通過(guò)對(duì)PIN二極管建立PSpice子電路模型，提供了一種新的研究功率PIN二極管的方法。本文的子電路模型同樣適用其他型號(hào)的PIN二極管，只需對(duì)相應(yīng)參數(shù)做修改即可。

探索了對(duì)第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料碳化硅PIN二極管的建模。模型能夠在一定程度反映出二極管的瞬態(tài)開關(guān)特性，具有一定的借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介

盛定儀 男，1982年出生，碩士生，湖北潛江人。主要研究方向?yàn)槲⒉ㄆ骷O(shè)計(jì)與仿真、電子系統(tǒng)加固。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。