（电力电子与电力传动专业论文）pin功率二极管模型参数辨识及有效性验证.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h ec o s to fd e s i g n i n gp o w e r e l e c t r o n i c sc i r c u i t ，s i m u l a t i o np h a s ei n t h ed e s i g np r o c e s si sv e r yi m p o r t a n t a f t e rt h ed e v i c em o d e l i sd e f m e d ，t h ea c c u r a c y o fs i m u l a t i o ni sd e p e n d e do ne x t r a c t i n gt h ed e v i c em o d e lp a r a m e t e r sa c c u r a t e l y h o w t oe x t r a c tt h ed e v i c em o d e lp a r a m e t e r si sa l w a y st h ef o c u so fa t t e n t i o ni nt h ef i e l do f p o w e re l e c t r o n i c s a c c o r d i n gt op r o f e s s o r m o r e l sp i nd i o d em o d e l ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h ew h o l e p r o c e s s o f e x t r a c t i n gp a r a m e t e r sa n d v a l i d a t i o n b e c a u s eo f t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ed e v i c em o d e lp a r a m e t e r sa n di t sb e h a v i o r , t h i st h e s i s a d o p t e dt h ep a r a m e t e r si d e n t i f i c a t i o nm e t h o db a s e do ns i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tb y w h i c ht h ed e v i c ei n t e r i o rm o d e lp a r a m e t e r sa r ee x t r a c t e db yi t se x t e r i o r c h a r a c t e r i s t i c s t h em e t h o di si m p l e m e n t e db yt h eo p t i m i z a t i o np r o g r a m t oe x t r a c t t h ed e v i c em o d e lp a r a m e t e ra c c u r a t e l y , t w oo p t i m i z a t i o np r o g r a m si s a p p l i e dt o m i n i m i z et h ee r r o rb e t w e e nt h es i m u l a t e da n dt h em e a s u r e dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c s w e d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yaa u t o m a t i o n t e s ts y s t e mt h a ti st h ep o w e rd e v i c e s b e h a v i o rt e s t e d p l a t f o r m b a s e do np ca n dw o r k s t a t i o n i ti n c l u d e s p c ，s u n w o r k s t a t i o n ，d i g i t a ls t o r a g eo s c i l l o s c o p e ，g p i b ，p c i - 9 11 2 ，t h e c o n t r o l l a b l ep o w e r s u p p l y a n dp i nd i o d et e s t i n gc i r c u i t t h i ss y s t e mi sr u n n e db yj a v aa n dc p r o g r a m t h i st h e s i s a d o p t e d g e n e t i ca l g o r i t h ma n dv a r i a b l ec o n v e r t i n g a l g o r i t h m g e n e t i ca l g o r i t h mm a k e st h es o l u t i o no ft h ee r r o rf u n c t i o nc l o s et ot h e g l o b a l o p t i m u mm o r e a n dm o r e ，b u ti tg e t ss t u c ka tal o c a lo p t i m u me a s i l y , s ow em o d i f i e d g e n e t i ca l g o r i t h ma n db r o u g h tf o r w a r dt h ea d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m h o w e v e r t h ea d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mh a sc a p a b i l i t yt os e a r c hf o rl o c a t i n gt h eg l o b a l l y o p t i m a ls o l u t i o na tt h ec o s to fc o n v e r g e n c es p e e d t h i st h e s i sa l s oa d o p t e d v a r i a b l e c o n v e r t i n ga l g o r i t h m i ti sr i g h tf o rv a r i a b l ec o n v e r t i n ga l g o r i t h mt oi m p l e m e n ti n c u r v es u r f a c et h a tw a s p r o v e db ye x p e r i m e n t a l r e s u l t s a f t e rt h ep i nd i o d em o d e lp a r a m e t e r sw e r ee x t r a c t e d ，p i nd i o d em o d e la n d p a r a m e t e r s w e r ev a l i d a t e dt op r o v et h e i ra c c u r a c y k e y w o r d s ：p i n p o w e rd i o d e ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，v a l i d a t i o n ，a u t o m a t i o nt e s t s y s t e m ，o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m l i 上海大学 y 6 7 7 2 9 6 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合上海大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名： 主任： 委员： 丝遴 墨盟 乏雄一 导厩名刁缘 答辩日期： 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垂耋燮：日期迦生：圭：壁 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交 论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：数导师签名：丝 日期：芝生! ；：筻 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电力电子器件参数辨识及有效性验证的意义及研究背景 随着功率半导体技术的发展，电力电子器件推陈出新，半导体制造商需要介 绍器件在不同应用领域的工作特性。从经济的角度考虑，如果半导体制造商能够 得到仿真技术有力的支持，最好的方法就是采用仿真技术来精确地模拟器件工作 特性。另一方面，日趋复杂的电力电子系统设计将越来越依靠于计算机辅助设计 及分析。在制作实际系统前，对所设计线路进行仿真研究，在仿真过程中排除设 计错误，使系统在设计时尽可能达到优化，节约了财力物力，起到事半功倍的效 果。电力电子电路的高复杂度，高集成化越来越凸现仿真技术的重要性。 电力电子电路的仿真是建立在器件模型和模型参数的基础上，高质量的电力 电子器件模型和参数对于电力电子电路的精确仿真来说是必须的。器件的模型描 述了器件在不同工作条件下的行为特性，模型的正确与否直接影响到仿真的精 度，甚至导致错误。可以说，器件的模型是器件仿真和实际行为特性的纽带。器 件模型是否能够真正的描述器件的行为特性，即仿真的精度性，还取决于模型的 参数。要取得准确、可靠、有指导意义的仿真结果，就要有精确的模型参数。只 有提供了可靠的参数，模型才有价值。 器件的物理参数信息主要由器件制造商提供的，器件制造商提供的物理参数 应该是最有信服力。但是大多数器件制造商出于保密考虑，不愿提供精确的物理 参数。器件的某些物理参数还可以从器件的产品手册中计算得到，但是这种获取 的参数十分粗略，无法得到精确的器件物理参数。即便是计算精确，在相同型号 器件的产品手册中，不同的半导体制造商提供的数据往往不尽相同，仍然无法得 到正确的器件物理参数。这就是本课题对电力电子器件进行参数辨识的意义所 在。 过去，电子电路的仿真只能应用于小功率的模拟电路和数字电路。那些大功 率的电力电子器件无法被这些仿真软件精确仿真。这是因为大功率器件的一些效 应没有被考虑，如电荷存储效应，电热效应。这些效应没有被正确描述或者根本 没有被建模的原因是它们对于小功率器件的影响不重要或可以忽略。然而，这些 第1 页共8 i 页 上海大学硕士学位论文 效应对于大功率器件来说是非常重要的。近年来，国内外的研究者提出了许多电 力电子器件的模型。其中，有许多模型能够应用于大功率工作条件下的动、静态 特性的仿真。但是仿真精度、收敛速度、及有效范围各不相同，且又互相矛盾。 如有些模型尽管仿真收敛速度快，但模型是通过实验建立的，仿真精度不高；而 有些模型直接通过基本半导体数学方程推导获得，没有经过简化运算时间太长， 仿真收敛速度慢，甚至不收敛。因此，有必要在现有c p u 运算能力条件下，尽可 能的提高仿真精度，扩大仿真的有效范围。 1 2 国内外发展概况 目前，国内在这一领域里的研究还很薄弱，大多数只考虑了器件的稳态过程， 即静态的i v 特性，并不涉及器件的动态过程，如功率二极管在关断瞬间的反向 恢复过程。这对于器件的工作特性来说，是不完整的。而器件的动态特性对器件 仿真来说，是极为重要的。因为发生在功率器件动态过程中的开关瞬间的功率损 耗，电磁干扰( e m i ) ，以及其它动态波形的敏感性效应都会对电子电路产生很大 的影响。图1 1 和图1 2 显示了功率二极管对电予电路的影响。 v r 图l ，l 功率二极管反向恢复特性影响电路 假定开关s 已经闭合很长一段时间，电路已经进入稳态，i 产i 。= v r ，续流 二极管v d ：关断。如果此时开关s 在t 。时刻断开，则v 队导通并流过负载电流i 。 当开关s 在t 。重新闭台，这时v d 2 尚未恢复反向阻断，它近似于短路器件，而感 性负载电流i 。不能突变，因此电流i 增加，而电流i 。相应减少。当v d 。关断时， 第2 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 电流i 。已达到其峰值i ，负载电流i 。从i 。左右迅速达到i ，。此时在v d z 两端产生 非常大的反向压降，可熊导致v d ：的反向击穿。可见，功率二极管的反向恢复特 性导致了自身被反向击穿。因此，如果在仿真此电路时，没有仿真到功率二极管 的反向恢复特性，而在实际设计电路中选择器件参数时又没有考虑功率二极管这 一特性，将导致电路发生错误。 t 图1 2 功率二极管反向恢复特性影响波形 所以，如果器件的模型和模型参数不能精确地描述器件的动态特性，那么在 仿真线路中使用该器件的模型和参数就会影响线路仿真的精度，甚至导致错误。 因此，必须对电力电子器件的动态特性进行研究，建立合适的模型，辨识其参数。 国际上在这一领域里的研究已比较深入，许多专家已对目前主流的电力电子 器件的动态特性进行了研究，并给出了精确的物理模型。，并把这些模型引入仿 真软件中。这种基于器件物理模型的仿真，与器件的内部物理机制相联系，保证 了器件仿真的精度。但是许多科研组织只是提出了器件模型，对器件的模型参数 辨识没有引起足够的重视。它们大多只给出了器件在一定工作条件下的仿真效 果，而没有证明在大范围的工作条件下。通过仿真所得到的功率器件的工作特性 是有效的。 第3 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 一般说来，有两种方法来模拟半导体器件的行为特性。一种是采用宏模型， 宏模型不考虑器件的内部的物理机制和几何尺寸。是通过等效电路来描绘器件的 外部特性，即用电阻、电容、受控源及一些已知模型器件来组成半导体器件的模 型。它是通过变换不同的等效电路来模拟器件的动、静态特性。宏模型结构简单， 在比较复杂系统的仿真中，仿真软件采用宏模型，能够得到满意的结果。但其缺 点是增加新的组件可能扭曲先前建立的模型。这种建模技术完全靠的是经验，并 且宏模型与器件的物理机制无关。所以宏模型不能精确地描述器件的动态特性， 描述的特性也只是在很窄的工作范围内有效。 另一种采用微模型，它是以半导体器件内部的物理机制为基础，比如考虑载 流子的漂移、扩散、寿命期，以及空间电荷和电场间的关系。这些都要由数学模 型和模型参数来描述。微模型在很大工作范围内，不但能够精确描述器件的静态 特性，而且还能精确描述器件在开关瞬间的恢复特性。所以微模型能够完整地描 述器件的动、静态特性，采用这种模型仿真效果好。但是这些模型要么过于复杂， 需要花费很长的计算机运算时间；要么经过近似处理后，减少了运算时间，但是 导致仿真精度下降。 近年来，出现了一种状态变量建模( s t a t ev a r i a b l em o d e l i n g ) 方法。法国里昂 电气实验中心已经已在该领域做了许多工作，他们对电力电子器件的物理模型作 了深入的研究，成功的将这种建模方法应用于电力电子器件的仿真中，并以此开 发了p a c t e 仿真软件。对于功率二极管来说，这个状态变量模型是由描述反向恢 复特性的半导体器件方程得来的。它将功率二极管分成两个区域来控制反向恢复 的行为特性，一个是p + n 结的空间电荷区，另一个是载流予的扩散区。p + n 结的 空间电荷区和载流子的扩散区决定了功率二极管的反向恢复特性。这种模型的状 态变量少，仿真精度较好( 本文将在后面章节给出仿真结果予以证明) ，且实践 证明其仿真时间比s a b e r 仿真软件少“。 1 3 电力电子器件参数辨识及有效性验证的基本思想 图1 3 显示了电力电子器件参数辨识基本思想流程。首先，研究分析器件的 工作特性，特别是器件的动态特性。在此基础上，建立器件的物理模型。该模型 必须能完整的描述器件的动、静态行为特性。然后，对器件的物理模型进行参数 第4 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 辨识。得到器件的模型参数后，再进行有效性验证。有效性验证可以用于分析辨 识的参数是否为正确的器件模型参数。若有效性验证不能给出满意的仿真精度范 围，则说明此时辨识的模型参数是不准确的。造成的原因可能是由于参数辨识的 过程中不适当的操作造成的，也可能是原先建立的器件模型不正确。通过改进参 数辨识技术或修改器件模型，继续进行参数辨识，直到通过有效性验证为止。若 通过了，则此时的模型参数就可提供给器件使用者。 图1 3 电力电子器件参数辨识基本思想流程图 1 4 本文的研究对象和主要内容 常用的电力电子器件包括了i g b t 、m o s f e t 和功率二极管( p o w e rd i o d e ) 等 等。功率二极管应用非常广泛，如高频整流、大功率半导体开关器件的保护。 功率二极管的模型在电力电子器件中最为简单，考虑到我们在电力电子器件参 数辨识领域正处于起步阶段，首先对p i n 功率二极管进行参数辨识。 本课题来源于上海市科委的国际合作项目，是与法国里昂国家电气实验中 心合作的。项目主要目的是实现对电力电子器件参数的辨识及有效性验证。利 用该中心提供的仿真软件p a c t e 对p i n 功率二极管仿真，通过实验和仿真相结 合的方法，辨识出p i n 功率二极管的参数。该参数一方面可提供给器件使用者， 使得使用者能够根据器件参数模拟器件的行为特性，设计电路。另一方面，可 第5 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 提供给器件制造商，对器件的制造、改进制造工艺有指导意义。由于p a e t e 软 件提供的器件模型是基于器件物理机制的模型，并且模型参数较少，这使得参 数辨识易于实现。本文研究的主要内容包括以下几个方面： 根据法国专家提供的器件模型，开发一个自动测试系统，进行功率二极管 参数的在线自动测量。该系统是以p c 机和s u n 工作站为控制中心的电力 电子器件特性检测硬件平台以及基于j a v a 的g p i b 接口卡、凌华数据采集 卡的数据采集及控制系统。 基于最优化方法的模型参数的自动辨识采用最佳的优化策略辨识功率二 极管的参数。 对已辨识的功率二极管参数，进行有效性验证，分析并得出结论。 整个系统采用奔腾p c 机作为信号控制、采集及处理中心，采用i e e e 4 8 8 通 用接口总线g p i b 将p c 机与高性能的程控数字示波器连接，以及通过凌华 p c i 一9 1 1 2 数据采集卡与可控电源连接。采样并分析数字示波器所得到的功率二 极管电流、电压波形。两波形与仿真软件p a c t e 所得到的仿真波形加以比较，结 合最优化辨识技术，得到最优的模型参数。然后在功率二极管允许工作条件下， 大范围的改变工作条件，验证辨识出的功率二极管参数。根据有效性验证的结果， 分析功率二极管的物理模型和辨识出的参数是否能够仿真实际的行为特性。 1 ，5 本文的组织结构 第一章介绍了电力电子器件参数辨识及有效性验证的意义及研究背景、国内 外的发展状况、基本思想、以及研究的对象和工作的主要内容。第二章针对p i n 功率二极管给出了基本结构、p a c t e 仿真软件里的状态变量模型，分析了功率二 极管的动态特性。第三章提出了p i n 功率二极管参数辨识的基本思想以及实现这 一思想的自动测试系统的硬件结构。第四章介绍了自动测试系统的软件设计思想 以及软件实现的组成模块。第五章首先介绍了仿真软件以及说明了为什么采用 p a c t e 仿真软件。接着详细介绍了遗传算法和变量轮换法。最后给出了参数辨识 的具体实现及结果。第六章说明了有效性验证的目的、实现方法，并给出了其结 果。分析有效性验证的结果，得出结论。第七章对本课题进行了总结，并对参数 辨识在电力电子器件仿真中的作用进行了展望。 第6 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 第二章p i n 功率二极管器件 功率二极管是一种广泛应用于电力电子领域的半导体器件，多用于开关状 态。因此，希望其能够迅速的关断，关断时能够承受较大的反压。p i n 结构的二 极管比p n 结构的二极管具有更快的关断速度和承受更大的反压。 2 1p i n 功率二极管基本结构 理想的p i n 结构是由掺杂浓度很高的p 区和n 区中间夹杂一层不舍任何杂质 的本征材料构成。因为不可能存在完全没有杂质的本征半导体，所以实际制作时， 总是用高阻的n 型材料代替本征材料，只不过这个n 型材料掺杂浓度非常低。因 而，实际结构为p n - n 型，如图2 1 所示。载流子电荷分布如图2 2 所示。 p + i ( n 一) n + 图2 1p i n 功率二极管基本结构剖面图 图2 2p i n 功率二极管载流子电荷分布剖面图 零偏压时，扩散作用使p 区空穴向i 区扩散，i 区电子向p 区扩散，于是在 p i 结两边形成了个空间电荷区。因为p 区空穴浓度远远高于i 区电子浓度， 故p 区中的空间电荷区薄，而i 区比p 区中的空间电荷区厚得多，整个p i 结 的宽度基本上等于i 区空间电荷区的宽度。而在i n 交界处由于浓度关系， 载流子也会互相扩散，形成空间电荷区，但比p i 结小得多，可忽略不计。如 图2 3 所示，中间区分了两部分：第一部分为空间电荷区，占去大部分。载流子 第7 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 己被耗尽，所以电阻率很高，此为高阻区。另一部分为与n 区相互扩散形成的， 仍然存在着少量的载流子。所以零偏时，p i n 功率二极管呈现高阻态。 ooo p + ooo n -n + oo 图2 3 零偏时p i n 功率二极管基本结构剖面图 在加反向偏压时，外加电压和内建电场方向一致，使得p i 结空间电荷变 宽，空间电荷区的电阻变大。所以在加反偏时，p i n 功率二极管呈现的阻抗值比 零偏时要大。而在加正向偏压时，正向电压和内建势方向相反，p i 结空间电 荷变窄，空间电荷区的电阻变小，呈现的阻抗值比零偏时小。 改进二极管开关性能的其中一个途径是缩短n 区的厚度，p i n 结构的二极管 允许有比对应p n 结构的二极管更薄的中央区。在相同的反向电压条件下，p i n 二极管所用的硅片可以比p n 二极管薄得多。 所以，p i n 功率二极管因为在p n 区中加了i 区，使得p i n 功率二极管比p n 管能够承受更大的反压，同时提高了快速关断速度。所以p i n 功率二极管可以 应用于大功率的场合。本文采用的功率二极管( b y t l 2 p i 1 0 0 0 ) 就可以承受1 0 0 0 伏的反压。在2 5 0 c ，i f = i a ，v r = 3 0 v 条件下最大反向恢复时间为1 5 5 n s ，具有 很好的关断性能。 2 2 p i n 功率二极管模型 泊松方程、连续性方程和电流密度方程合称为半导体器件的基本方程，是半 导体器件理论的基础，运用它们可以解决半导体内部的物理机制问题。 1 泊松方程 翌：竺鲤：尘：一趔 勃2 占 a g i ( z 一, 0 ；一e ，r ) o x ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) p 如，f ) = g k 如，) 一p ( z ，) 一n 。如) + 。拓) 】 ( 2 3 ) 2 连续性方程 第8 页共8 i 页 上海大学硕士学位论文 掣= 弓掣砘，) 浯t ， 掣弓掣砘 f ) s ， 3 电流密度方程 仉力= q u p p ( z 加) 印，垒笋 6 ) 以如，f ) = g 珂o ，归白，) + 口见掣( 2 - 7 ) 0 2 4 爱因斯坦关系 圹寺d p 甜。= 灯q - - d 。 尸如，) 一总i 撇( c m 3 ) “。一空穴迁移率( c m 2 v s q ) 甜。一电子迁移率( c m 2 v s q ) ； q 一电子电荷( c ) ； 占如，) 一电场强度( v c m 。1 ) ： p 0 ，) 一空穴浓度( c m 。) ： 门b ，) 一电子浓度( c m 3 ) ； ，。0 ，) 一空穴的电流密度( a c m 2 ) ； 以 ，) 一电子的电流密度( a c m 之) d e 一空穴的扩散系数n m 2 s - j ) 见一电子的扩散系数( c m 2 s q ) ( 2 - s ) ( 2 - 9 ) p a c t e 仿真软件中的状态变量模型是由描述反向恢复特性的半导体器件基 本方程推导得来。它利用载流子的扩散区和p + n 结的空间电荷区来控制反向恢复 第9 页共3 l 页 上海大学硕士学位论文 的行为特性，因为这两个区域决定了功率二极管的反向恢复特性。器件的基本方 程在器件的不同区域并不同等重要：连续性方程和电流密度方程可推导出载流子 的扩散方程，用以描述载流子的扩散运行机制：泊松方程用来描述电荷与电场、 磁场间的变化关系，在空间电荷区起着重要的作用。 一载流子扩散方程 连续性方程和电流密度方程推导出的空穴扩散方程如下： 至幽：d 掣一旦 0 f d z f 边界条件为： 掣：一彬o ) 吣 攀盟：一d ( ，) l ，7 2 2 q p u r a 1 r = 一 2 q p 。u r a ( 2 一1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) f 一载流子的寿命( s ) ： 坼一温度电压当量) ： d 一双极扩散系数( c i t l 2 s 1 ) ，d ：三盟u ，； 弘n 弘d f ( ，) 一流过这个区域的总电流( a ) 。 a 一有效面积( c m 2 ) ； 在大注入情况下，即注入的非平衡少子浓度接近或超过该区多子浓度的情况 下，为了保持n 区的电中性，n 区的多子浓度( 电子浓度) 相应地增加，于是电 子的浓度梯度等于空穴的浓度梯度。此时，仅仅单独考虑电子或空穴的传输过程 是不合适的。因此，用双极扩散系数来表示载流子的传输。最后，经过一系列近 似推导，可以得到状态变量方程( 2 一1 5 ) 。详细推导可参阅文献“1 。 第1 0 页共8j 页 上海大学硕士学位论文 划= 一半 二空间电荷区方程 盟：d d l q n d a 叫，丢( ，+ 口刳 比一空间电荷区外延宽度( u r n ) ； n d n 区杂质浓度( c m 3 ) ； 中一内建电场( v ) ： l u d n 区的德拜长度( m ) ： 从一空间电荷区靠近n 区的反向电压降( v ) ( 2 一1 6 ) ( 2 - - 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 比是状态变量，总电流f 和以是外部变量。方程( 2 一1 6 ) 描述了反向偏置时空 间电荷区的状态变量模型。方程( 2 1 7 ) 是状态变量u 与外部变量从的关系方程。 方程( 2 1 9 ) 是i 。的经验方程，t o 和口是调整参数，当空间电荷区为反向偏置时， 通过状态变量而，就将载流子扩散区的作用考虑进去了。 三p i n 功率二极管状态变量模型说明 状态模型可由方程( 2 1 5 ) 和( 2 一1 6 ) 描述。该模型有三个状态变量而、z ：和 w 。，六个技术参数。技术参数如表2 1 所示。模型的技术参数和功率二极管的 内部物理运行机制相联系，模型参数的改变，将会促使信号参数发生变化。本文 将利用信号参数来辨识功率二极管模型技术参数，信号参数如表2 2 所示 第1 j 页共8 l 页 剖 ，一砒 。亟矿 兰 普辱 扯 上海大学硕士学位论文 表2 1 模型技术参数表 物理意义符号单位 有效面积a c m 2 漂移区宽度w u m n 区杂质浓度n d c m - 3 载流子寿命期 n s 调整参数 调整参数 td n s 表2 2 信号参数表 符号单位物理意义 i ，ma最大反向恢复电流 v 。 v 最大反向恢复电压 t r r s 反向恢复电流 i f a 为功率二极管提供正向电流 v r v 为功率二极管提供反向压降 2 3 p i n 功率二极管工作特性 功率二极管的工作特性包括静态特性和动态特性。 2 3 1 静态特性 二极管两端的电压v 和流过的电流i 之间的关系为： ，= i s ( p ”似一1 ) ( 2 2 0 ) 式中i 。为反向饱和电流，v r = k t q 称为温度电压当量，其中k 为玻耳兹曼常数， t 为热力学温度，q 为电子的电量。由式可知，正向偏置时只要v 大于v ，几倍以 上，i a i s e 吩，即i 随v 按指数规律变化；反向偏置时，只要i v i 大于v t 几倍 第1 2 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 以上，1 z - i s ，其中负号表示为反向电流。当二极管处于反向偏置时，在一定范 围的反向电压作用下，流过二极管的电流是很小的反向饱和电流。但是反向电压 超过某一数值后，反向电流会急剧增加，这就是反向击穿，反向击穿的阕值为反 向击穿电压v b x 。击穿状态下的特性为图中虚线左边的部分。图2 4 为二极管的 伏安静态特性曲线。 2 3 2 动态特性 i i v 酥 r ， 0 v 图2 4 二极管静态特性曲线 由以上静态特性分析可知，功率二极管在正向偏量时呈低阻态，正向管压降 很低，近似短路。而在反向偏置时，功率二极管呈高阻态，反向电流很小，近似 开路。但是，功率二极管在导通和关断瞬间，会产生浪涌电流和浪涌电压。这一 过程发生在由一个稳态向另一个稳态过渡期间，其特性可称之动态特性。当功率 二极管由截止变为导通时，过渡过程称为正向导通特性。当由导通变为截止时， 过渡过程称为反向恢复特性。 一正向导通恢复特性 在功率二极管由关断到导通的转变过程中，电流电压的变化如图2 5 所示。 在刚开始正向导通时，功率二极管呈现的电阻主要是掺杂浓度较低的i 区的欧姆 电阻，因而管压降随正向电流升高而升高。导通瞬问，电流的上升速率远远高于 注入的载流子在i 区的扩散速率。因而在很短的时间内，i 区将承受一个瞬态的 高电压，直到注入的载流子完全淹没在i 区为止。随着正向电流的建立，i 区中 第1 3 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 的少数载流子因积聚的而逐渐增多，此时电阻率明显下降，欧姆电阻值减小。由 于这种电阻性过程，在正向电流上升过程中，管压降在上升到某个峰值后因i 区的欧姆电阻变小而逐渐下降，并趋予稳定的较低值。由于电路中存在着接线电 感，还会引起电感性的过渡过程。在正向电流建立过程中，正向电流的上升率 l r， “e 么将在这些电感上引起正向电压降，阻碍正向电流的上升。直到正向电流趋 ， 于稳定后，电感引起的正向压降才趋于零。这就是电压会过冲，而电流不会过冲 的原因。 图2 5 功率二极管正向恢复电流波形 图2 6 功率二极管正向电压波形 二反向关断恢复特性 第1 4 页共8 1 页 上海大学硕士学位论文 图2 7 是功率二极管产生反向恢复特性电路图。当开关s 断开时，电流 源电流i ，为功率二极管提供导通电流，功率二极管处于导通状态。当开关s 闭合时，i f 被开关s 短路，功率二极管承受电压源v r 的反压，立刻由导通 向截止转变。但是功率二极管从正向导通到反向阻断要经过一定的时间，在 此之前，会有显著的反向恢复电流、电压出现。如图2 8 所示。 v 图2 7 功率二极管产生反向恢复特性电路图 d if d i n dr 。 t l 时，在反向电场的作用下，p 区中的电子被拉回到n 区，n 区中的空 穴被拉回p 区，形成反向漂移电流，如图2 1 0 所示。这时，功率二极管压降仍 为正偏。这是因为p 区和n 区中的非平衡少数载流子仍然处于梯度分布。 当t = t 2 时，p n 结附近的非平衡少数载流子被抽尽后，势垒区变宽，功率二 极管就由正偏转向了反偏。 p 区势垒区n 区 因朗 n 卜一 i 一 i r 图2 1 0 功率二极管承受反压 当t h 时，随着p n 结附近的非平衡少数载流子被抽尽，反向电流要靠离p n 结较远的载流子来维持。因为那里的载流子密度低，所以反向电流值增加减缓。 当h 3 时，电流的增长率为零，对应的电感电压也为零，反向电压v r 就直 接加在了功率二极管上。 当t t 3 时，反向电流开始减小，即功率二极管电流又出现正的变化率d l j d t 。 此时，电感产生反向自感电动势，使管压降不能停留在v r 上，而出现反向过冲。 功率二极管继续抵消多余的电荷，v d 仍然增加。 当t = t 4 时，反向电压达到最大，等于v 。 当t h 时，反向电压逐渐回落到v r 。 t 。为i d = 0 到功率二极管电流等于i 。的9 0 。最后，就可以从i d ( t ) 和v d ( t ) 的 波形中得到对应于不同的i f 和v r 下的信号参数。 在电力电子应用中，功率二极管大多被用于实现开关的功能。由于功率二极 管在关断期间的反向恢复特性很难通过仿真来描述。所以，本文观测的功率二极 管动态特性是基于反向恢复特性的。 第1 7 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章给出了p i n 功率二极管的基本结构。分析了与普通二极管在结构上的不 同，这种结构上的不同使得p i n 功率二极管比普通二极管能够用于大功率的场 合。针对p i n 功率二极管的反向恢复特性，给出了其状态变量模型。这种模型是 基于控制功率二极管反向恢复特性的载流子扩散区和p + n 结空间电荷区，通过近 似推导半导体器件基本方程来建立的。它有三个状态变量和七个技术参数，这七 个技术参数正是本文所要辨识的模型参数。得到功率二极管的模型后，就可以用 p a c t em + + 语言将模型写入到p a c t e 仿真软件中去。p a c t em + + 语言类似与 c + + 语言，它将模型以类的形式表达。最后，通过分析内部载流子运动和外部特 性波形，详细介绍了二极管反向恢复的工作机理，得出了二极管发生反向恢复特 性的原因是电荷的存储效应这一结论。 第1 8 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 第三章参数辨识系统的基本思想及自动测试硬件结构 3 1 参数辨识的基本思想 由于描述功率二极管物理模型的参数很难精确地直接从功率二极管的产品 手册( d a t as h e e t ) 中获得，因此本课题就是围绕着如何对功率二极管进行参数 辨识这一主题进行的。本文要辨识的参数为功率二极管的内部模型技术参数( 有 效面积a ，漂移区宽度w ，n 区杂质浓度n d ，载流子寿命期t ，调整参数a ，调 整参数t 。) ，这些参数无法通过直接测量来获得，只能采用间接的方法，即通过 器件的外特性来辨识其内部参数，如图3 1 所示。把功率二极管看成黑盒，给它 一定的输入信号，并测量输出信号，即器件的外特性，通过功率二极管的外特性 来辨识功率二极管的模型参数。因为器件的模型参数值是与器件的外特性相联系 的，在给定的工作条件下，模型参数的变化，器件的外特性也将发生变化。所以， 我们只要正确地处理器件的外特性，就能辨识到器件的模型参数。 命 a ，w ，n d j1 ，q ，1d 图3 1 黑盒 为了精确地辨识二极管的参数，本课题分两步来实现参数辨识。第一步，通 过编制程序对功率二极管实测电路产生的反向电流、电压波形进行采集，获得实 测信号参数值( 最大反向电流i 最大反向电压v 以及反向恢复时间t r y ) 。 第二步，在工作站上，运行最优化程序。先启动仿真软件p a c r e ，对功率二极管 实测电路进行仿真，获取仿真信号参数值( t r r s ，i r r s ，v r r s ) 。然后优化程序减少这两 种信号参数之间的差值，使仿真电流、电压逐步逼近实测电流、电压波形。当它 们的差值足够小，我们就认为此时的信号参数相对应的技术参数就是我们要辨识 的。这样功率二极管物理模型的参数就得到了。 功率二极管参数辨识实现框图如图3 2 所示。图中v 。i ，是电压源，电流源 第1 9 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 给定值，e 是实测和仿真信号参数间的误差。利用信号参数间的误差组成一目标 函数然后对其进行优化计算。优化程序通过不断的修改功率二极管模型参数和 启动仿真软件，促使仿真波形逼近实测波形，直到两者问的误差满足系统要求为 止。此时得到的模型参数就是功率二极管的实际物理参数。理想的结果是两波形 完全重合，但这显然是不可能的，因此本文设定的靓则是误差小于0 o o l 。 图3 2 功率二极管参数辨识实现框图 要实现对二极管参数辨识，我们必须开发一个自动测试系统平台，自动测试 系统平台原理，如图3 3 所示。 图3 3 自动测试系统平台 第2 0 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 在这个系统中，计算机通过凌华数据采集卡控制电压源和电流源，使实测电 路工作在不同的条件下，以便获取多组信号参数。程控数字示波器对实测电路的 i 。( t ) 和v 。( t ) 信号波形进行采集显示。g p i b 接口读取示波器中的信号波形，并 送入计算机，计算机再将读取的信号参数送入工作站。另一方面，工作站用p a c t e 仿真软件对二极管进行仿真，得到仿真参数。然后在工作站将先前得到的实测参 数，和仿真参数进行最优化，以达到参数辨识之目的。 3 2 自动测试系统的组成 如上所述，要实现功率二极管的参数辨识需构建一个自动测试平台，这个自 动测试平台包括硬件和软件。通过搭建硬件电路产生功率二极管的反向恢复特性 波形，编制软件实现数据的采集，传输以及参数辨识。 一硬件 本课题所使用的硬件包括：p c 机、工作站( s u n b l a d e1 0 0 ) 、程控数字示波 器( t d s 3 0 5 2 ) 、电流源和电压源、功率二极管实测电路板、电力电子开关器件 ( m o s f e t 和i g b t ) 触发电路板、以及插在p c 机里的g p i b 接口卡和凌华p c i - 9 1 1 2 数据采集卡。 p c 机和s u n 工作站组成电力电子器件特性检测的控制中心，对外围电路产 生的波形采集、传输和优化，达到辨识参数之目的。程控数字示波器( t d s 3 0 5 2 ) 、 电流源和电压源、功率二极管实测电路板和电力电子开关器件( m o s f e t ，i g b t ) 触 发电路板组成外围电路，捕捉功率二极管的反向恢复电流、电压波形。 二软件 软件由j a v a 语言、c 语言和单片机语言来完成。需完成的功能有最优化算 法，采集反向恢复电流、电压波形，控制电流源和电压源，启动运行仿真软件， 以及p c 机和工作站间的通讯。这些将在下一章详细介绍。 3 3自动测试系统的硬件结构 3 3 1 功率二极管实测电路 1 主电路 第2 l 页共8 l 页 上海大学硕士学位论文 为了得到精确的模型参数，我们必须建立一个合适的测试平台来捕捉功率二 极管的动态特性曲线，实测主电路如图3 4 所示。这是功率二极管实际的测试电 路图，l d 是分布电感。l f 是电流源，为功率二极管提供导通电流。u 是电压源， 为功率二极管提供反向压降。m o s f e t 和i g b t 组成开关，它们间的开关时序配合 促使功率二极管不停地处于开与关的状态。d 为所要辨识的p i n 功率二极管。 v r 图3 4 功率二极管实测电路 2 驱动信号产生及驱动电路 1 ) 驱动信号产生电路 单片机 图3 。5 驱动信号产生电路框图 图3 5 是驱动信号产生电路框图，它为m o s f e t 和i g b t 提供脉冲触发它们导 通与关断。4 个3 位开关用来调整m o s f e t 和i g b t 开关的触发时序，时序图将在 第2 2 页共8 i 页 上海大学硕士学位论文 第五章给出，并予以介绍。单片机选用了8 9 c 2 0 5 1 来控制m o s f e t 和i g b t 的驱动。 2 ) 驱动电路 、 触发电路是为了给开关管m o s f e t 和i g b t 提供驱动的。由于i g b t 多用于高 电压、大电流场合，信号控制电路与驱动电路之间应采用抗干扰能力强、信号传 输快的高速光电隔离器件加以隔离。同时为了保证i g b t 的安全运行，防止异常 现象造成器件损坏，必须采取完备的保护措施。所以，本文采用了h c p l 3 1 6 j 芯片作为i g b t 的驱动，如图3 6 所示。 图3 6i g b t 驱动电路 该芯片具有以下功能： 信号隔离，光耦合器将脉冲控制电路与驱动电路隔离。 高速的光电耦合，减小信号传输延时。 过电流检测。管脚d e s a t 通过二极管检测i g b t 的集极电流，一旦过流， 芯片内部立刻发出脉冲，封锁i g b t 的门极。因为i g b t 的通态压降v c e 与集电 极电流呈近似线性关系，所以i g b