다이오드의 역회복 특성을 모델에 어떻게 반영해야 합니까?

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하프브리지, 풀브리지 및 LLC 전력 시스템은 물론 모터 제어 시스템의 주 전력 MOSFET, 동기식 벅 컨버터용 프리휠링 스위치, 2차 동기 정류 스위치는 기생 다이오드에 대한 역전류 복구 프로세스를 거칩니다. 파워 MOSFET의 바디 다이오드의 열악한 역회복 특성은 다이오드의 스위칭 손실 증가로 이어져 시스템 효율을 저하시키는 동시에 높은 링잉을 발생시켜 안전성에 영향을 미칩니다. 파워 MOSFET의 작동. 모델에서 역복구 기능을 어떻게 고려해야 합니까? 오늘 그것에 대해 좀 토론해 봅시다.

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II.다이오드 방향 복구 메커니즘

바디 다이오드에 순방향 전압 VF가 외부에서 인가되면 순방향 전압이 PN 접합의 내부 전계를 약화시키고 드리프트 운동이 약해지고 확산 운동이 강화되며 확산과 드리프트의 동적 평형이 방해를 받습니다. 결과적으로, P 영역의 정공(폴리손)은 N 영역으로 흐르고, N 영역의 전자(폴리손)는 P 영역으로 흐릅니다. P 영역으로 들어가는 전자와 N 영역으로 들어가는 정공은 각각 해당 영역의 소수 아들이 됩니다. 따라서 전압이 인가되지 않은 경우보다 P 및 N 영역에 더 적은 수의 아들이 있으며, 이러한 추가 수 톤을 불균형 수 톤이라고 합니다.

이러한 비평형 소수자는 축적과정에서 농도차이에 의해 N영역과 P영역으로 확산된다. 홀을 예로 들면, 홀 농도 분포는 N 영역에서 확립되며, 접합 가장자리 근처에서 농도가 가장 크고 접합에서 멀어질수록 농도가 작아집니다. 순방향 전류가 클수록 저장된 정공의 수가 많아지고 농도 분포의 기울기도 커집니다. P 영역으로의 전자 확산은 유사하며 아래 그래프는 다이오드에 저장된 전하의 분포를 보여줍니다. 순방향 전도 동안 비평형 소수 캐리어 축적 현상을 종종 전하 저장 효과라고 합니다.

바디 다이오드에 역전압을 가하면 P 영역에 저장된 전자와 N 영역에 저장된 정공이 즉시 사라지지 않고 다음 두 가지 방식으로 점차 감소합니다.

에이. 역전계의 작용으로 P 영역의 전자가 N 영역으로 다시 당겨지고 N 영역의 정공이 P 영역으로 다시 당겨져 역 드리프트 전류가 형성됩니다.

비. 대부분의 캐리어와 재결합. 스위칭 변환 과정 중 다이오드의 역회복 과정은 본질적으로 전하축적 효과에 의해 발생하며, 역회복 시간은 저장된 전하가 사라지는 데 걸리는 시간이다.

이중 펄스 테스트 회로

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이중 펄스 테스트는 MOSFET 및 IGBT와 같은 전력 스위칭 부품의 특성화에 널리 사용되는 테스트 방법입니다. 이 테스트에서는 대상 부품의 스위칭 특성뿐만 아니라 바디 다이오드 및 IGBT와 함께 사용되는 고속 복구 다이오드(FRD)의 역회복 특성도 평가합니다. 따라서 Turn-On 시 역회복 특성으로 인해 손실이 발생하는 회로를 평가하는 데 매우 유용합니다. 이중 펄스 테스트의 기본 회로도는 다음과 같습니다.

이 회로에서 윗면은 다이오드 시험관, 아랫면은 구동용 MOSFET으로 이중 펄스 테스트의 기본 작업은 (1), (2), (3)의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. . 펄서의 전압을 VPulse로 정의하면 인덕터에 흐르는 전류는 IL이고 DUT의 전압은 VDD입니다. 동작이 (1) 상태일 때 MOSFET은 ON 상태가 됩니다. 전류 경로는 전원 공급 장치 → 인덕턴스 Ls → 인덕턴스 L → MOSFET → 전원 공급 장치입니다. 이때 인덕터 L이 축적된다. 동작이 (2) 상태일 때 MOSFET은 턴오프(I=0A)되므로 전류 경로는 인덕터 L→다이오드가 폐회로를 형성하여 프리휠링 동작이 된다. 동작이 (3)일 때 MOSFET은 다시 ON(ON)되고, 전류 경로는 전원→인덕턴스 Ls→인덕터 L→MOSFET→전원 순으로 다이오드의 역회복 전류가 온과 겹친다. -on 전류, 역회복 현상은 다이오드에 흐르는 전류를 관찰하면 알 수 있다.

SPICE 모델이 역방향 복구 기능을 설명하는 방법

다이오드의 전체 전하 Q는 접합 양단의 전압 변화로 인해 이 영역에 축적되는 전하와 작은 크기의 중성 영역(NR)에 저장되는 전하의 두 부분으로 구성됩니다. 중립 영역(NR)에 주입된 캐리어 수입니다. 접합 용량 CJ와 확산 용량 CD가 각각 해당됩니다. 그 중 CJ의 표현은 다음과 같습니다.

CD에 대한 표현은 다음과 같습니다.

즉, 역회복은 다이오드의 정전용량과 관련이 있습니다. CJ, CJO, M, FC, VJ의 커패시턴스 매개 변수를 결정할 때. 그러면 역회복 매개변수는 CD의 매개변수 TT와 관련됩니다.

SPICE 모델이 어떻게 역회복 매개변수를 추출합니다.

Spice Model 매개변수 추출은 ICCAP에서 수행할 수 있습니다. ICCAP는 역회복 매개변수 추출 검증의 예를 개발할 수 있는 기본 다이오드 예를 제공합니다.

이 예에서는 Recovery라는 이름의 새로운 DUT가 정의되고 이중 펄스 테스트 회로가 이 경우 해당 에뮬레이터 구문과 동일한 spice 구문으로 작성됩니다.

해당 테스트 시뮬레이션 여기가 주어지면 다이오드를 통과하는 전류를 테스트하여 역회복의 특성 곡선을 관찰할 수 있습니다.

ICCAP에서는 튜닝을 사용하여 해당 매개변수의 튜닝을 최적화할 수 있습니다. TT 매개변수를 튜닝하면 역전류가 변하는 것을 볼 수 있습니다.

이중 펄스 테스트 시뮬레이션 검증

마찬가지로 ADS에 이중 펄스 테스트 회로를 설정할 수 있습니다.

 

시뮬레이션 결과는 다음과 같습니다.

 

요약

실제 애플리케이션에서 MOSFET의 바디 다이오드는 많은 편리성과 이점을 제공하지만 역회복 특성이 시스템에 미치는 영향을 무시할 수 없습니다.

모델의 TT 매개변수와 관련된 trr 값의 크기는 전자 장치의 성능과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 전자 장치의 TRR에 영향을 미치는 몇 가지 중요한 요소는 다음과 같습니다.

에너지 소비 및 효율성: TRR 값이 높다는 것은 전자 장치가 역으로 복구하는 데 더 오랜 시간이 걸리고 결과적으로 더 많은 에너지 손실이 발생한다는 것을 의미합니다. 이는 전자 장치의 에너지 효율성과 효율성을 감소시킵니다.
2. 스위칭 속도: TRR 값이 작을수록 전자 장치의 역회복 속도가 빨라집니다. 고주파 스위칭 애플리케이션에서 역 복구 시간이 짧은 장치는 상태를 더 빠르게 전환하여 전체 시스템 응답성을 향상시킬 수 있습니다.

3. 신뢰성: 전류가 반대 방향으로 다이오드를 통과할 때 TRR 값이 너무 크면 더 높은 역전압 피크가 생성됩니다. 이로 인해 전력 손실, 발열, 장치 손상이 발생하여 전체 회로의 신뢰성과 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.