info@panadisplay.com
Δυναμική συμπεριφορά διόδου ισχύος PIN και μέθοδο εξαγωγής παραμέτρων μοντέλου βασισμένη στη φυσική

Δυναμική συμπεριφορά διόδου ισχύος PIN και μέθοδο εξαγωγής παραμέτρων μοντέλου βασισμένη στη φυσική

Jan 27, 2018

Ως βασική συνιστώσα του ηλεκτρονικού συστήματος ισχύος, η ημιαγωγική συσκευή ισχύος αποτελεί απαραίτητη ηλεκτρονική συνιστώσα στη σύγχρονη ζωή από τότε που εμφανίστηκε στη δεκαετία του '70 του περασμένου αιώνα. Ειδικά τα τελευταία χρόνια, το πρόσωπο της παγκόσμιας ενεργειακής έλλειψης και της δοκιμής περιβαλλοντικής υποβάθμισης, προκειμένου να ανταποκριθεί στη ζήτηση εξοικονόμησης ενέργειας και νέας ενεργειακής ανάπτυξης, η μετατροπή και η επεξεργασία ισχύος ηλεκτρονικού συστήματος χρησιμοποιούνται όλο και ευρύτερα, συσκευές είναι προς μεγάλη χωρητικότητα και υψηλή αξιοπιστία και σπονδυλωτή κατεύθυνση. Ως σημαντική συνιστώσα, οι δίοδοι ισχύος χρησιμοποιούνται ευρέως στα οικιακά ηλεκτρονικά συστήματα και στα βιομηχανικά ηλεκτρονικά συστήματα, στα ηλεκτρονικά συστήματα αυτοκινητοβιομηχανίας και ηλεκτροκινητήρων, στον ευφυή πλέγμα, στον τομέα των πλοίων και της αεροδιαστημικής. Με την ανάπτυξη του επιπέδου σχεδιασμού συσκευών ημιαγωγών ισχύος και της τεχνολογίας κατασκευής, οι επιδόσεις των διόδων ισχύος, όπως η αντοχή στο επίπεδο τάσης, το ρεύμα αγωγιμότητας, η απώλεια μεταγωγής και τα δυναμικά χαρακτηριστικά, έχουν βελτιωθεί σημαντικά.


Λόγω του υψηλού κόστους και της εύκολης καταστροφής των ημιαγωγών ισχύος, η προσομοίωση του υπολογιστή χρησιμοποιείται συνήθως στο σχεδιασμό του συστήματος.

Η ακρίβεια της προσομοίωσης ηλεκτρονικού συστήματος ισχύος προσδιορίζεται από τις παραμέτρους μοντέλου και μοντέλου που χρησιμοποιούνται από την προσομοίωση. Για να έχουμε ακριβή, αξιόπιστα και πρακτικά αποτελέσματα καθοδήγησης, πρέπει να έχουμε ακριβείς παραμέτρους φυσικού μοντέλου και να έχουμε μόνο ακριβείς παραμέτρους φυσικού μοντέλου, επομένως το μοντέλο συσκευής ισχύος ημιαγωγών έχει νόημα.


Ωστόσο, εξαιτίας του τεχνικού αποκλεισμού των κατασκευαστών συσκευών, οι ακριβείς παραμέτρους του μοντέλου συσκευών ημιαγωγών ισχύος είναι δύσκολο να περάσουν από τους κατασκευαστές και τις συμβατικές μεθόδους δοκιμών, γεγονός που περιορίζει τη χρήση μοντέλων προσομοίωσης και τη βελτίωση του επιπέδου εφαρμογής των συσκευών. Για πολλά χρόνια, πώς να εξάγετε με ακρίβεια τις βασικές παραμέτρους εντός της ισχύος και των ηλεκτρονικών συσκευών υπήρξε ένα καυτό θέμα στον τομέα της ηλεκτρονικής ισχύος. Τα δυναμικά χαρακτηριστικά του ανοίγματος και του κλεισίματος της διόδου ισχύος μπορούν να αντικατοπτρίζουν την εσωτερική φυσική δομή, τον μηχανισμό λειτουργίας και τη διανομή του φορέα στη βασική περιοχή. Πρώτον, στην ανάλυση της εσωτερικής δομής και των δυναμικών χαρακτηριστικών της διόδου ισχύος PIN με βάση τις βασικές παραμέτρους για τον προσδιορισμό των δυναμικών τους χαρακτηριστικών προσδιορίστηκαν. στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο συνδυασμού της δυναμικής προσομοίωσης και του αλγορίθμου βελτιστοποίησης για τη βελτιστοποίηση της αναγνώρισης των βασικών παραμέτρων της διόδου ισχύος. επιβεβαιώνεται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου για την αναγνώριση παραμέτρων της διόδου ισχύος.


1 Βασική δομή και δυναμικά χαρακτηριστικά της διόδου ισχύος PIN

Το σχήμα 1 δείχνει το αρχικό διάγραμμα της εσωτερικής δομής της διόδου ισχύος τύπου ΡΙΝ και της κατανομής της συγκέντρωσης φορέα. Η διόδων PIN αποτελείται κυρίως από την περιοχή Ρ και τη ζώνη Ν και τη χαμηλή συγκέντρωση ντόπινγκ στην περιοχή Ι (Ν-περιοχή). Λόγω της προσθήκης της περιοχής I, οι διόδους PIN μπορούν να αντέξουν υψηλότερη τάση δέσμευσης. Η αντίσταση αγωγιμότητας των διόδων μπορεί να μειωθεί σημαντικά με διαμόρφωση αγωγιμότητας όταν εγχυθεί σε μεγάλη βάση. Τα δυναμικά χαρακτηριστικά των διόδων ισχύος, συμπεριλαμβανομένων των χαρακτηριστικών ενεργοποίησης και απενεργοποίησης, καθορίζονται από την κατανομή του φορέα και τη διαδικασία αλλαγής στην περιοχή Ι, η οποία εκδηλώνεται με τα χαρακτηριστικά ανάκτησης εμπρόσθιας και ανάστροφης ισχύος των διόδων ισχύος.

1.png


1.1 Χαρακτηριστικά ανοίγματος

Ο οδηγός με μια περίοδο διέλευσης από παροδική διόδου θα συνοδεύεται από μια μέγιστη υπέρβαση τάσης ανόδου μετά από μια χρονική περίοδο σταθεροποίησης και θα έχει πολύ μικρή πτώση τάσης (βλ. Εικόνα 2). Η διαδικασία ανάκτησης της διόδου προς τα εμπρός επηρεάζεται κυρίως από το μήκος του μολύβδου, τη συσκευασία της συσκευής και την επίδραση της διαμόρφωσης αγωγιμότητας στην εσωτερική περιοχή Ν.

2.png


Υπό μεγάλες συνθήκες ένεσης, η συγκέντρωση του πλεονάζοντος φορέα καθορίζει τη διαμόρφωση αγωγιμότητας στην περιοχή ολίσθησης. Η περίσσεια συγκέντρωσης του φορέα στην περιοχή μετατόπισης έγχυσης προσδιορίζεται από την εξίσωση συνέχειας.


3.png


式 中 n - Υπερβολική συγκέντρωση φορέα.

J n - Ηλεκτρική πυκνότητα ρεύματος.

q - το ποσό της χρέωσης της μονάδας.

τ - Υπερβολική διάρκεια ζωής φορέα.


Η τάση υπέρβασης προς τα εμπρός συμβαίνει μόνο όταν το ρεύμα αλλάζει πολύ γρήγορα και η διάρκεια είναι μικρότερη από την σύνθετη ζωή. Το ρεύμα καθορίζεται κυρίως από τη διαδικασία διάχυσης και η σύνθετη διαδικασία μπορεί να αγνοηθεί, οπότε η πυκνότητα ρεύματος ηλεκτρονίων είναι

4.png

Υπερβολική συγκέντρωση φορέα

5.png


Στον τύπο, Dn είναι ο συντελεστής διάχυσης ηλεκτρονίων.

Στη μεταβατική διαδικασία της ανάκαμψης προς τα εμπρός, η πυκνότητα ρεύματος αυξάνεται με την ταχύτητα του α, και λαμβάνεται η περίσσεια συγκέντρωσης φορέα στην περιοχή μετατόπισης.

6.png



Η συνολική συγκέντρωση ηλεκτρονίων στην περιοχή μετατόπισης είναι

7.png

Σε απόσταση Χ από την ένωση PN, λαμβάνεται υπόψη ένα μικρό τμήμα του πάχους του DX και η αντίσταση της περιοχής μετατόπισης είναι η ίδια.

8.png


Μπορεί να επιτευχθεί η θετική τάση ανάκτησης.

9.png

Τύπος T M - Σταθερή διέλευση διάχυσης.

V T - Θερμοκρασία και ισοδύναμο τάσης, V T = k T / q.

μεταξύ της k σταθεράς Boltzmann, k = 1,38 χ 10 -23 J / K;

T - Θερμοδυναμική θερμοκρασία.


1.2 Απενεργοποίηση χαρακτηριστικού

Όταν η δίοδος στην κατάσταση αγωγιμότητας εφαρμόζει ξαφνικά μια αντίστροφη τάση, η αντίστροφη ικανότητα δέσμευσης της διόδου θα πάρει ένα χρονικό διάστημα για να ανακάμψει, το οποίο είναι η αντίστροφη διαδικασία ανάκτησης. Η δίοδος ισοδυναμεί με κατάσταση βραχυκυκλώματος πριν αποκατασταθεί η δυνατότητα αποκλεισμού. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, από το t = t f , το εμπρόσθιο ρεύμα IF της διόδου μειώνεται με τον ρυθμό d if / d t κάτω από την επίδραση της εφαρμοζόμενης αντίστροφης τάσης. Ο ρυθμός αλλαγής του I F είναι από την εξωτερική αντίστροφη τάση Ε Και η επαγωγή L στον βρόχο προσδιορίζεται,

10.png

Όταν t = t 0 , το ρεύμα στη δίοδο είναι ίσο με το μηδέν. Πριν από αυτό, η δίοδος είναι στην προκατειλημμένη προκατάληψη, και το ρεύμα είναι θετικό ρεύμα. Μετά από το χρόνο t0, η πτώση τάσης προς τα εμπρός ελαττώνεται ελαφρώς, αλλά εξακολουθεί να είναι θετική μεροληψία και το ρεύμα αρχίζει να αντιστρέφει την κυκλοφορία και σχηματίζει το αντίστροφο ρεύμα ανάκτησης I RR . Στο χρόνο t = t 1 , το φορτίο Q1 στην περιοχή μετατόπισης αντλείται μακριά, το αντίστροφο ρεύμα φτάνει στη μέγιστη τιμή του IRM και η δίοδος αρχίζει να ανακτά την ικανότητα αποκλεισμού. Μετά τον χρόνο Τ1, για τη δίοδο ΡΙΝ, η συγκέντρωση του φορέα στη διασταύρωση PN στη φάση ανάκαμψης είναι υψηλότερη από αυτή στις άλλες περιοχές. Μόλις τοποθετηθεί το στρώμα χώρου φόρτισης, εξαπλώνεται γρήγορα στην περιοχή Ν, εξαφανίζοντας γρήγορα τον υπολειπόμενο φορέα, προκαλώντας μια απότομη πτώση στο αντίστροφο ρεύμα. Επειδή το d irr / dt της τρέχουσας φθίνουσας ταχύτητας είναι μεγαλύτερο, η τάση του επαγωγέα της γραμμής θα δημιουργήσει υψηλότερη τάση επαγωγής. Αυτή η επαγωγική τάση υπερκαλύπτεται με την εφαρμοζόμενη αντίστροφη τάση στη δίοδο, έτσι ώστε η δίοδος να αντέχει σε υψηλό VRM αντίστροφης τάσης.


Μετά από t = t 2 , το d irr / dt σταδιακά μειώνεται στο μηδέν, η τάση επαγωγής πέφτει στο μηδέν, η δίοδος επαναφέρει το αντίστροφο μπλοκ και εισέρχεται στη φάση της στατικής αντίστροφης τάσης. Ο κύριος παράγοντας που επηρεάζει τη διαδικασία ανάστροφης ανάκτησης είναι το αντίστροφο φορτίο ανάκτησης, δηλαδή η συνολική ποσότητα φορτίου Q rr αφαιρείται κατά την αντίστροφη διαδικασία ανάκτησης.

11.png

Υποθέτοντας ότι η ελεύθερη συγκέντρωση φορέα στην περιοχή μετατόπισης μπορεί να γραμμικοποιηθεί, μπορεί να δημιουργηθεί μια διαδικασία ανάστροφης ανάκτησης όταν η δίοδος ισχύος είναι απενεργοποιημένη με σταθερό ρυθμό μεταβολής ρεύματος, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.

12.png

Η κατανομή συγκέντρωσης φορέα αλυσίδας με βάση την τρέχουσα κατάσταση μπορεί να αντικατασταθεί περίπου από τη γραμμική μεταβολή μεταξύ της μέσης τιμής του μεσαίου τμήματος της περιοχής μετατόπισης και της συγκέντρωσης x = 0 n (-d) στη μέση συγκέντρωση φορέα Na στο x = β. Η συγκέντρωση αυτών των φορέων είναι

13.png

Μέση συγκέντρωση φορέα στην περιοχή παρασυρόμενων

14.png

Τύπος τ HL - Χρόνος ζωής φορέα υπερβολικής ένεσης.

J T - Συνολική πυκνότητα ρεύματος διόδου ανόδου.

J F --Περισσότερη πυκνότητα ρεύματος της διόδου,

L a - Μήκος διπολικής διάχυσης.


Στο πρώτο στάδιο της διαδικασίας απενεργοποίησης, η πυκνότητα ρεύματος του ανορθωτή PIN μεταβάλλεται από την τιμή της πυκνότητας ρεύματος κατάστασης διέλευσης ( JF ) στο μηδέν στη στιγμή t 0 . Στο τέλος του πρώτου σταδίου, η κατανομή φορέα καθίσταται επίπεδη επειδή το ρεύμα είναι μηδέν στο τέλος του χρόνου t0. Η αλλαγή στο φορτίο που αποθηκεύεται σε αυτή την περιοχή μετατόπισης φάσης είναι

15.png


Πληκτρολογήστε a - Ρυθμός μεταβολής της πυκνότητας ρεύματος.

Η τιμή t 0 της τρέχουσας μεταβολής στο μηδέν εκφράζεται ως

16.png

Το δεύτερο στάδιο της διαδικασίας απενεργοποίησης είναι ο χρόνος T 1 από τη στιγμή t 0 του ρεύματος στο μηδέν μέχρι τον κόμβο P + N για να αρχίσει να αντέχει την τάση. Ο χρόνος Τ1 μπορεί να ληφθεί με ανάλυση του φορτίου που εξάγεται από το t = t 0 t o t = t 1 κατά τη διάρκεια του τερματισμού της μεταβατικής διαδικασίας. Τα τέλη που εξήχθησαν κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου είναι

17.png

Ο χρόνος T1 είναι

18.png

Όταν η τρίτη φάση της μεταβατικής διαδικασίας είναι απενεργοποιημένη, η τάση κάτω από τη δίοδο PIN αρχίζει να αυξάνεται. Αρχικά, η περιοχή χώρου φόρτισης WSC (T) επεκτείνεται προς τα έξω όσο περνάει ο χρόνος. Σε αυτή τη διαδικασία, το φορτίο που αποθηκεύεται στην περιοχή μετατόπισης εξάγεται περαιτέρω, με αποτέλεσμα τη μείωση του αντιστρεπτού ρεύματος μετά την Τ1. Θεωρείται ότι το ρεύμα είναι περίπου σταθερό όταν εξάγεται το φορτίο αποθήκευσης και όταν η διακλάδωση P + N αντιστραφεί στη στιγμή Τ1, το φορτίο αποθήκευσης που εξάγεται στη στιγμή t είναι το ίδιο.

19.png

Τάση ζώνης χώρου φόρτισης

20.png

Η περιοχή χώρου φόρτισης μπορεί να εκφραστεί ως

21.png

Η αντίστροφη τάση ανάκτησης είναι η κορυφή στο τέλος του t = t2 στο τρίτο στάδιο.