功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压建模方法技术

本发明专利技术涉及电力电子器件建模领域，具体的是涉及功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压建模方法。该方法基于功率二极管基本结构、半导体物理和电力电子变流装置的运行原理，通过建立功率二极管开通和关断瞬态的物理模型和行为模型，并通过二极管开关瞬态的物理机理分析得到两种模型关键参数之间的联系，建立了一种基于物理模型和行为模型的混合模型建模方法；在所建立的功率二极管开关瞬态混合模型的基础上，建立了短时续流条件下反向恢复尖峰电压模型。本发明专利技术既能够保证模型的精确度又能简化模型的复杂度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电子器件建模领域，具体的是涉及功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压建模方法。
技术介绍
功率二极管(powerdiode)是现代电力电子装置实现高效电能变换与控制广泛使用的核心电力电子器件。功率二极管在模块开关过程中起着提供回路能量泄放的作用，因此又称续流二极管，能防止感性负载回路硬关断时产生危险的过电压。功率二极管与全控型开关器件IGBT一起构成开关模块，在很长一段时间内开关器件的研究得到深化，而二极管的作用却被忽略了，直到近年来，随着电能变换装置容量和频率的提升，电路拓扑的快速切换对功率器件的开关速度和损耗要求也越来越高。续流二极管的反向恢复特性对开关损耗和电力电子装置运行可靠性的影响也越来越大。国外有研究机构对80个公司的200多件产品调查后发现，接近40％的电力电子装置故障是由器件失效引起。由二极管反向恢复电应力作用造成的装置失效也逐渐得到重视，对续流二极管开关过程的深入研究也越来越迫切。功率二极管反向恢复尖峰电压是指在二极管由开通到关断过程中，由于二极管内部基区存储的剩余载流子泄放，会在二极管正向电流变为零后继续反向增大，然后随着基区存储电荷的泄放，反向电流减小，最终变为零，因此，反向电流变化率在二极管回路杂散电感上会产生一个电压尖峰，严重时会导致开关器件的击穿失效，影响电力电子装置的运行可靠性。随着功率器件电压、电流等级的增大以及变流装置频率的提升，续流二极管的续流时间也会增加，达到微秒甚至十微秒级，导致二极管反向恢复有可能在续流瞬态时发生，对电力电子装置的可靠运行存在一定隐患。因此，本专利技术专门针对功率二极管短时续流条件下反向恢复尖峰电压的建模，旨在提高电力电子变流装置的运行可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于得到一种功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压建模方法，此方法既能够保证模型的精确度又能简化模型的复杂度。本专利技术通过采用一种物理模型与行为模型相结合的方法，建立了功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压的模型。该方法基于功率二极管基本结构、半导体物理和电力电子变流装置的运行原理，通过建立功率二极管开通和关断瞬态的物理模型和行为模型，并通过二极管开关瞬态的物理机理分析得到两种模型关键参数之间的联系，建立了一种基于物理模型和行为模型的混合模型建模方法；在所建立的二极管开关瞬态混合模型的基础上，建立了短时续流条件下反向恢复尖峰电压建模方法；通过将电路提取与实验数据拟合相结合，提取了模型参数。本专利技术是通过如下方案实现的：功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压建模方法，其特殊之处在于，该方法包括以下步骤：①在回路中，当功率二极管在续流状态下，确定续流时间为百纳秒量级到微秒量级；②当功率二极管在续流瞬态前，确定所在回路中的初始电流满足使回路关断拖尾电流时间小于回路电感时间常数的条件；③根据半导体物理方程，得到功率二极管在开通续流过程中的物理模型：it=q∫v(1τ2∫0tΔn0(x,t′)exp(-t′τ)dt′+(∂Δn0(x,t)∂t+1τΔn0(x,t))exp(-tτ))dV---(1)]]>其中，it为功率二极管开通续流瞬态的电流，q为电子电荷量，τ为PN结过剩载流子的等效时间常数，Δn0(x,t)为载流子连续性方程不考虑复合时的解，V为基区体积；④根据数据手册和试验波形图，对功率二极管开通续流过程进行曲线拟合，得到功率二极管开通续流过程中的行为模型：iF=A(1-exp(-tB))---(2)]]>其中，iF为功率二极管开通续流瞬态电流的近似拟合值，参数A和参数B由试验数据得到；⑤假设回路中负载电流在功率二极管续流过程中不发生变化，将步骤③所述的公式(1)和步骤④所述的公式(2)进行联立，得到功率二极管开通续流过程中的混合模型：iF=IF(1-exp(-tτ*))---(3)]]>其中，IF为续流稳态时的续流电流，τ*是功率二极管开通时续流电流上升过程的时间常数；⑥将功率二极管在关断过程中的波形与功率二极管的物理特性相结合，可以近似认为功率二极管的反向恢复电流由最大值开始下降的阶段呈指数变化，得到功率二极管在关断过程中反向恢复时的混合模型：ir(t)=-IRpexp(-t-(t0+t1)τr)---(4)]]>其中，ir为功率二极管在关断过程中的反向恢复电流，IRp为功率二极管在关断过程中的反向电流尖峰值，τr为功率二极管反向恢复电流由尖峰值开始下降过程的时间常数，t0为功率二极管在关断过程中由反向截止开始到续流电流下降到零的时间，t1为功率二极管在关断过程中通过功率二极管的电流由零到反向电流尖峰值的时间；⑦根据步骤⑥所述的公式(4)和功率二极管基区电荷控制方程得到功率二极管在关断过程中反向恢复时的电流变化率公式：dir(t)dt=d2QS(t)dt2+dQS(t)dt=(1τr2-1τr)Qmexp(-t-(t0+t1)τr)---(5)]]>其中，QS为功率二极管的储存电荷，Qm为功率二极管在反向电流为尖峰值时的剩余储存电荷；⑧根据步骤⑦所述的公式(5)和步骤⑤所述的公式(3)推导出功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压表达式：VRp=-VDC-Ls2(1τr2-1τr)×((QT-(Q0+IF(1+τt0)τ)(1-exp(-t*τ*)))exp(-t0+t1τ)+IF(1-exp(-t*τ*))(τ-t1)τt0)---(6)]]>其中，VRp为功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压值，VDC为直流母线电压，Ls2为功率二极管所在续流回路的杂散电感，QT为续流初始时刻的功率二极管PN结两端注入的总电荷量，Q0为导通电流达到稳态时的功率二极管基区过剩载流子电荷，t*为功率二极管的续流时间；⑨通过数据手册、实验波形和电路提取的方法对步骤⑧所述的公式(6)进行模型参数提取。在上述技术方案中，所述功率二极管为PIN二极管。在上述技术方案中，所述功率二极管所在回路为半桥电压型逆变电路。在上述技术方案中，所述半桥电压型逆变电路的控制模块为PWM控制模块。采用本专利技术所述的功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压建模方法，可对目前广泛使用的功率二极管不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：①在回路中，当功率二极管在续流状态下，确定续流时间为百纳秒量级到微秒量级；②当功率二极管在续流瞬态前，确定所在回路中的初始电流满足使回路关断拖尾电流时间小于回路电感时间常数的条件；③根据半导体物理方程，得到功率二极管在开通续流过程中的物理模型：it=q∫V(1τ2∫0tΔn0(x,t′)exp(-t′τ)dt′+(∂Δn0(x,t)∂t+1τΔn0(x,t))exp(-tτ))dV---(1)]]>其中，it为功率二极管开通续流瞬态的电流，q为电子电荷量，τ为PN结过剩载流子的等效时间常数，Δn0(x,t)为载流子连续性方程不考虑复合时的解，V为基区体积；④根据数据手册和试验波形图，对功率二极管开通续流过程进行曲线拟合，得到功率二极管开通续流过程中的行为模型：iF=A(1-exp(-tB))---(2)]]>其中，iF为功率二极管开通续流瞬态电流的近似拟合值，参数A和参数B由试验数据得到；⑤假设回路中负载电流在功率二极管续流过程中不发生变化，将步骤③所述的公式(1)和步骤④所述的公式(2)进行联立，得到功率二极管开通续流过程中的混合模型：iF=IF(1-exp(-tτ*))---(3)]]>其中，IF为续流稳态时的续流电流，τ*是功率二极管开通时续流电流上升过程的时间常数；⑥将功率二极管在关断过程中的波形与功率二极管的物理特性相结合，可以近似认为功率二极管的反向恢复电流由最大值开始下降的阶段呈指数变化，得到功率二极管在关断过程中反向恢复时的电流表达式为：ir(t)=-IRpexp(-t-(t0+t1)τr)---(4)]]>其中，ir为功率二极管在关断过程中的反向恢复电流，IRp为功率二极管在关断过程中的反向电流尖峰值，τr为功率二极管反向恢复电流由尖峰值开始下降过程的时间常数，t0为功率二极管在关断过程中由反向截止开始到续流电流下降到零的时间，t1为功率二极管在关断过程中通过功率二极管的电流由零到反向电流尖峰值的时间；⑦根据步骤⑥所述的公式(4)和功率二极管基区电荷控制方程得到功率二极管在关断过程中反向恢复时的混合模型：dir(t)dt=d2QS(t)dt2+dQS(t)dt=(1τr2-1τr)Qmexp(-t-(t0+t1)τr)---(5)]]>其中，QS为功率二极管的储存电荷，Qm为功率二极管在反向电流为尖峰值时的剩余储存电荷；⑧根据步骤⑦所述的公式(5)和步骤⑤所述的公式(3)推导出功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压表达式：VRp=-VDC-Ls2(1τr2-1τr)×((QT-(Q0+IF(1+τt0)τ)(1-exp(-t*τ*)))exp(-t0+t1τ)+IF(1-exp(-t*τ*))(τ-t1)τt0)---(6)]]>其中，VRp为功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压值，VDC为直流母线电压，Ls2为功率二极管所在续流回路的杂散电感，QT为续流初始时刻的功率二极管PN结两端注入的总电荷量，Q0为导通电流达到稳态时的功率二极管基区过剩载流子电荷，t*为功率二极管的续流时间；⑨通过数据手册、实验波形和电路提取的方法对步骤⑧所述的公式(6)进行模型参数提取。...

【技术特征摘要】
1.功率二极管短时续流反向恢复尖峰电压建模方法，其特征在于，
该方法包括以下步骤：
①在回路中，当功率二极管在续流状态下，确定续流时间为百纳秒
量级到微秒量级；
②当功率二极管在续流瞬态前，确定所在回路中的初始电流满足使
回路关断拖尾电流时间小于回路电感时间常数的条件；
③根据半导体物理方程，得到功率二极管在开通续流过程中的物理
模型：
it=q∫V(1τ2∫0tΔn0(x,t′)exp(-t′τ)dt′+(∂Δn0(x,t)∂t+1τΔn0(x,t))exp(-tτ))dV---(1)]]>其中，it为功率二极管开通续流瞬态的电流，q为电子电荷量，τ为PN
结过剩载流子的等效时间常数，Δn0(x,t)为载流子连续性方程不考虑复合
时的解，V为基区体积；
④根据数据手册和试验波形图，对功率二极管开通续流过程进行曲
线拟合，得到功率二极管开通续流过程中的行为模型：
iF=A(1-exp(-tB))---(2)]]>其中，iF为功率二极管开通续流瞬态电流的近似拟合值，参数A和参数
B由试验数据得到；
⑤假设回路中负载电流在功率二极管续流过程中不发生变化，将步
骤③所述的公式(1)和步骤④所述的公式(2)进行联立，得到功率二
极管开通续流过程中的混合模型：
iF=IF(1-exp(-tτ*))---(3)]]>其中，IF为续流稳态时的续流电流，τ*是功率二极管开通时续流电流上
升过程的时间常数；
⑥将功率二极管在关断过程中的波形与功率二极管的物理特性相结
合，可以近似认为功率二极管的反向恢复电流由最大值开始下降的阶段
呈指数变化，得到功率二极管在关断过程中反向恢复时的电流表达式为：
ir(t)=-IRpexp(-t-(t0+t1)τr)---(4)]]>其中，ir为功率二极管在关断过程中的反向恢复电流，IRp为功率二极管
在关断...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗毅飞，肖飞，汪波，刘宾礼，夏燕飞，熊又星，孙文，王钰，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42