PIN型功率二极管动态特性物理模型参数提取

2015 年3 月 电 工 技 术 学 报 Vol.30 No. 6 第 30 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2015 PIN 型功率二极管动态特性物理模型参数提取 方春恩 李 威 李先敏 李 伟 任 晓 刘 星 （西华大学电气与电子信息学院 成都 610039） 摘要 PIN 型功率二极管在电能变换和处理的电力电子装置中被广泛应用，但是长期以来其 内部物理模型参数有效提取方法的缺乏限制了其仿真模型的应用和使用水平的提高。本文以 PIN 型功率二极管为对象，在对其内部物理结构与动态特性分析基础上，确定了决定其动态特性的关 键参数。采用 Saber 软件动态仿真与量子遗传算法相结合的方法对 PIN 型功率二极管内部关键物 理模型参数进行优化辨识。最后，对 ZP800A3000V 型号的 PIN 型功率二极管器件进行了参数提 取和实验测试，证明了该方法的有效性。 关键词：PIN 功率二极管 物理模型 动态特性 参数提取 中图分类号：TN46 PIN Power Diode Dynamic Behavior and Physics-Based Model Parameter Extraction Method Fang Chunen Li Wei Li Xianmin Li Wei Ren Xiao Liu Xing （Xihua University Chengdu 610039 China） Abstract PIN power diode was widely used in power conversion and processing power electronic systems, but for a long time the absence of effective methods for its parameter extraction limited its accuracy of physical model and improvement of application level. This paper analyzes its physical structure and dynamic properties and determines critical parameters which dominate its dynamic characteristics of the power diode. By the method of combining Saber dynamic simulation and quantum genetic algorithm ,the PIN power diode physic model parameters are identified. Finally, an effective experimental test of the extracted ZP800A3000Vs physic model parameter is discussed and proves the effectiveness of this method. Keywords：PIN power diode, physics-based model, dynamic behavior, parameter extraction 1 引言 功率半导体器件作为电力电子系统的核心部 件，从上个世纪七十年代出现以来，一直是现代生 活中不可缺少的重要电子元件。特别是近年来全球 面临能源短缺、环境恶化等考验，为满足节能与开 发新能源的需求，进行电能变换和处理的电力电子 系统得到了越来越广泛应用，各类电力电子装置也 向着大容量、高可靠及模块化方向发展1-3。功率二 极管作为其重要元件被广泛运用于家用电子设备及 工业电子系统、汽车和动力机车电子系统、智能电 网、船舶及航天等领域。随着功率半导体器件设计 水平和制造工艺的不断进步，功率二极管的耐压等 级、导通电流、开关损耗和动态特性等各项性能都 得到了很大提高。 由于功率半导体器件的成本较高且容易损毁， 在实际的系统设计中，通常采用计算机仿真进行辅 助设计；而电力电子系统仿真的准确性是由仿真使 用的模型和模型参数所决定的。要获得准确、可靠 和对实际运用有指导作用的仿真结果，就要求有准 国家自然科学基金（51477142），四川省教育厅（12ZB131）和西 华大学研究生创新基金（YCJJ201360）资助项目。 收稿日期 2014-04-08 改稿日期 2014-07-09 第 30 卷第 6 期 方春恩等 PIN 型功率二极管动态特性物理模型参数提取 209 确的物理模型参数，也只有拥有准确的物理模型参 数，功率半导体器件的模型才有意义4。 但由于器件生产厂家的技术封锁，功率半导体 器件的准确模型参数很难通过制造商以及常规测试 方法获得，从而限制了仿真模型的使用与器件应用 水平的提高。多年以来，如何精确提取电力电子器 件内部的关键参数一直是电力电子领域的研究热 点5-9。功率二极管的开通与关断动态特性能够反映 其内部的物理结构、工作机理和基区载流子的分布 变化10。本文首先在对 PIN 型功率二极管内部结构 和动态特性分析基础上，确定了决定其动态特性的 关键参数；然后采用动态仿真与优化算法相结合的 方法对功率二极管内部关键参数进行优化辨识；最 后对提出的功率二极管参数辨识方法的有效性进行 了验证。 2 PIN 功率二极管基本结构及其动态特性 图 1 所示是 PIN 型功率二极管内部结构和载流 子浓度分布原理图。PIN 二极管主要包括 P 区和 N 区和掺杂浓度较低的 I 区 （N-区） 。 由于 I 区的加入， PIN 二极管能承受较高的阻断电压，在基区大注入 时，通过电导调制效应，大大降低了二极管的通态 电阻。功率二极管的动态特性包括开通特性和关断 特性，是由 I 区中的载流子分布及其变化的过程所 决定的，具体表现为功率二极管的正向和反向恢复 特性11。 图 1 PIN 功率二极管基本结构及载流子分布示意图 Fig.1 The structure and carrier distribution of PIN diode 2.1 开通特性 二极管的导通有一个暂态过程，导通初期会伴 随着一个阳极电压的尖峰过冲，经过一段时间后才 能趋于稳定，并且具有很小的通态压降（见图 2） 。 二极管正向恢复过程主要受其引线长度、器件封装 以及内部 N区电导调制效应的影响12,13。 （a）电压波形 （b）电流波形 图 2 PIN 二极管的正向恢复特性 Fig.2 Turn-on waveforms of PIN diode 在大注入条件下，过剩载流子浓度决定着漂移 区的电导调制。注入漂移区的过剩载流子浓度由连 续性方程决定 n 1 Jnn tqx （1） 式中 n 过剩载流子浓度； Jn 电子电流密度； q 单位电荷量； 过剩载流子寿命。 正向过冲电压仅发生在电流变化很快的情况 下，持续时间小于复合寿命，电流主要由扩散过程 决定，复合过程可以忽略，因此电子电流密度为 nn n JqD x （2） 过剩载流子浓度为 2 n 2 ( , )( , )n x tn x t D tx （3） 式中，Dn为电子扩散系数。 在正向恢复的瞬态过程中，电流密度以速率 a 增加，可得漂移区过剩载流子浓度为 n 3/2 ( /4) n ( , )e xD t at n x t q D （4） 漂移区的总电子浓度为 D ( , )( , )n x tn x tN （5） 在距 PN 结距离 x 处考虑厚度为 dx 的一小段区 域，则漂移区电阻为 DD D 00 d ( )d ( , ) ( , ) WW n x RtR qx t n x t （6） 210 电 工 技 术 学 报 2015 年 3 月 可得正向恢复电压为 T MD M / DM 2 (1 e) t T V T R at V R aV T t （7） 式中 TM 扩散穿越常数； VT 温度电压当量，VT =kT/q； 其中 k 为波尔兹曼常数， 23 1.38 10J/Kk ； T 热力学温度。 2.2 关断特性 对处于导通状态的二极管突然施加一反向电压 时，二极管的反向阻断能力需要经过一段时间才能 够恢复，这个过程就是反向恢复过程。在未恢复阻 断能力之前，二极管相当于短路状态。 如图 3 所示，从 t=tf开始，在外加反向电压的 作用下二极管的正向导通电流 IF以 F ddit的速率减 小。IF的变化率由外加反向电压 E 和回路中的电感 L 决定，有 F d d iE tL （8） 图 3 PIN 二极管反向恢复特性曲线 Fig.3 Turn-off waveforms of PIN diode 当t=t0时，二极管中的电流等于零。在这之前 二极管处于正向偏置，电流为正向电流。在t0时刻 后，正向压降稍有下降，但是仍为正偏置，电流开 始反向流通，形成反向恢复电流irr。 在t=t1时刻，漂移区的电荷Q1被抽走，反向电 流达到最大值IRM，二极管开始恢复阻断能力。在 t1时刻之后，对于PIN二极管，在恢复阶段PN 结 处的载流子浓度高于其他区域。一旦空间电荷层开 始建立，即迅速在N 区域内扩散，将残存载流子迅 速扫出，导致反向电流突然下降。由于电流下降速 率 rr ddit较大， 线路电感中会产生较高的感应电压， 这个感应电压与外加反向电压叠加到二极管上，从 而使得二极管会承受很高的反向电压VRM。 在t=t2之后， rr ddit逐渐减小为零，电感电压 下降至零，二极管恢复反向阻断并进入承受静态反 向电压的阶段。 影响反向恢复过程的主要因素是反向恢复电 荷，即在反向恢复过程中抽走的总电荷量Qrr为 2 0 rr12rrd t t QQQit （9） 假设漂移区的自由载流子浓度可以被线性化， 在恒定的电流变化率下，可建立一个分析功率二极 管在关断时的反向恢复过程，如图4所示。 图 4 反向恢复过程中 PIN 功率二极管载流子分布 Fig.4 Turn-off carrier distribution of PIN diode 通态电流建立的悬链式载流子浓度分布可由漂 移区中部的平均值与x=0处浓度n(d)到x=b处 平均载流子浓度na之间的线性变化部分来近似替 代14。这些载流子浓度为 aa HLT a aa coshsinh ( )( ) 2 sinh2cosh xx LLJ n xp x ddqL LL （10） 漂移区平均载流子浓度为 F HL a 2 J n qd （11） 式中 HL 大注入过剩载流子寿命； JT 二极管阳极总电流密度； JF 二极管正向电流密度； La 双极扩散长度。 在关断过程的第一个阶段，PIN整流器的电流 第 30 卷第 6 期 方春恩等 PIN 型功率二极管动态特性物理模型参数提取 211 密度从通态电流密度（JF）变到t0时刻的零。在第 一阶段末尾t0时刻，由于电流为零，载流子分布变 平坦。这一阶段漂移区存储的电荷变化为 0 2 0 0F 0 0 ( )d 2 t at QJ ttJ t （12） 式中 a 电流密度变化速率。 电流变化到零的时刻t0刻表示为 F 0 J t a （13） 关断过程的第二阶段是从电流变为零的t0时刻 到P+N结开始承受电压的t1时刻。时刻t1可通过分 析关断瞬态过程中t=t0到t=t1期间所抽取的电荷得 到。这段时间内所抽取的电荷为 11 00 22 110 ( )d()d() 2 tt tt a QJ ttatttt （14） 时刻t1为 aF 1 a aa aa 1 cosh(/)sinh(/) sinh( /)2cosh( /) LJ t aKdL d Ld L K d Ld L （15） 关断瞬态过程的第三个阶段，PIN二极管所承 受的电压开始不断增大。起初形成的空间电荷区 WSC(t)随着时间的推移向外扩展，这个过程中漂 移区存储的电荷进一步被抽取，导致t1时刻后反 向电流减小。假设存储电荷被抽取时电流近似恒 定，当P+N结在t1时刻反偏后，t时刻抽取的存储 电荷为 1 22 2F11 ()d()() 2 t F t a QJattJtttt （16） 空间电荷区电压为 2D SC ( ) ( )( ) 2 R S q Np t VtWt （17） 空间电荷区可表示为 22F SC11 aa ( )()() 2 Ja Wttttt qnqn （18） 在第三阶段结束t=t2时，反向恢复电压达到 峰值。 3 PIN 功率二极管物理模型动态过程仿真 参数提取 3.1 PIN 功率二极管参数提取基本思路及方法 本文提出的功率二极管参数辨识方法原理如图 5所示。该方法以PIN功率二极管的内部技术参数 为对象，使用具有丰富建模工具的Saber软件对其 物理模型进行动态仿真15，并通过SaberLink建立 Saber与Matlab之间的数据传输，将仿真所得波形 导入Matlab当中。通过与试验波形进行比较，利用 量子遗传算法不断对Saber模型中的二极管物理模 型参数进行优化，从而获得影响二极管动态特性的 关键参数。 图 5 PIN 功率二极管参数提取基本流程 Fig.5 The procedure of PIN diode parameter extraction 3.2 PIN 功率二极管的基本技术参数 电力电子系统仿真的准确性依赖于所选取的器 件模型。通常半导体模型多是选用行为模型，没有 考虑到电力电子器件内部的物理结构和运行机理， 而是将半导体器件拟作一个“黑盒子” ，通过经验公 式或查表法来描述器件的电气行为16,17。此类模型 在描述电力电子器件的稳态特性时较为准确，但在 描述其暂态特性时，效果不够理想。 本文选用具有较高模型精度的Saber软件对 PIN功率二极管的动态特性进行仿真。Saber中的 PIN功率二极管模型是完全基于二极管内部的半导 体物理结构和机理的物理模型，通过解析物理方程 而得出，充分考虑了大功率器件的电荷存储效应、 电热效应等内部机理，能够较为全面、准确地描述 二极管的载流子浓度分布和电气行为18。将第2部 分所述与Saber中物理模型联系起来可得PIN功率 二极管主要物理参数见表1。 212 电 工 技 术 学 报 2015 年 3 月 表 1 PIN 功率二极管主要物理参数 Tab.1 The main parameters of PIN power diode model 参 数 意 义 A/cm2 有效面积 WB/m 基区宽度 ND/cm3 N 区掺杂浓度 /s 载流子寿命 IS/A 注入饱和电流 3.3 PIN 功率二极管反向恢复过程仿真 因为功率二极管的动态过程包含正向恢复和反 向恢复两个过程，其中反向恢复过程既体现了空间 电荷区的变化也可以体现大注入时的载流子分布， 所以本文通过PIN功率二极管的反向恢复特性来优 化提取其关键物理参数。图6为动态仿真和测试所用 电路（图中R0:1.5，L0:10mH，CS:10nF，RS:390， LD:10nH，LS:100nH，RG: 15，LG:100nH，VDC:200V, VGG:15V/0V，IL:40A） 。 图 6 PIN 功率二极管测试电路 Fig.6 The test circuit of PIN power diode 图6中，VDC为电压源，VGG为门极控制脉冲信 号源，IL为二极管回路初始电流。稳态时，IGBT 处于关断状态，IC为零，二极管处于导通状态，IL 通过二极管；当VGG对IGBT基极施加VT，IGBT 导通，IL通过IGBT，VDC对二极管施加一个反向电 压VAK，二极管进入反向恢复过程，由正向导通向 变为反向阻断19。 在Saber中对该电路建模并仿真，得到PIN二 极管的反向恢复电流、电压波形，并将此波形传入 Matlab中，与实验波形数据进行比对。 3.4 优化算法及参数优化提取 本文选用量子遗传算法对参数提取过程进行优 化。量子遗传算法是基于量子计算原理的一种遗传 算法，将量子的态矢量表达引入遗传编码，利用量 子逻辑门实现染色体的演化，实现了比常规遗传算 法更好的效果20。量子遗传算法建立在量子的态矢 量表示的基础上，将量子比特的几率幅表示应用于 染色体的编码，使得一个染色体可以同时表达多个 态的叠加，并利用量子逻辑门实现染色体的更新操 作，使得量子遗传算法比经典遗传算法拥有更好的 多样性特征和收敛性21,22。本文结合量子遗传算法 的编码过程和提取PIN功率二极管多个参数的需 要，在编码时，将二极管的有效面积、基区宽度、 N区掺杂浓度及注入饱和电流作为一组变量编入一 个个体的染色体当中，应用量子遗传算法进行参数 优化辨识的算法流程如下： （1）在Matlab中载入PIN功率二极管动态过程 试验波形（包含反向恢复电流与电压） ，并生成表1 所示的待提取参数初始化种群Q(t0)，随机生成50 个以量子比特为编码的染色体，每个个体均含一组 待提取参数初始值。 （2）依次将初始化种群Q(t0)中的各个种群个体 进行如下操作：将其解码并传入Saber中，将此组 参数写入仿真电路的PIN功率二极管的模型当中， 进行一次动态仿真，得到该组参数对应的PIN功率 二极管暂态波形数据。 （3）结合试验波形对（2）中所得各个参数个体 所对应的波形结果进行适应度评估，记录最优个体 和对应的适应度。 （4）判断计算过程是否可以结束，若满足结 束条件则给出最优个体即优化所得的一组PIN功 率二极管物理参数值并退出，否则继续进行优化 辨识； （5） 利用量子旋转门U(t)对种群个体实施更新， 得到新的参数种群Q(t)。 （6）对种群Q(t)中的每个个体（含一组参数数 据）进行步骤 （2）的操作， 对所得到对应波形数据， 参照试验波形对该个体进行适应度评估。 （7）记录最优个体和对应的适应度，将迭代次 数t加1，返回步骤（4） 。 由第2节的分析可知，在外部环境一定的情况 下，PIN功率二极管瞬态电流、电压是由二极管内 部的物理参数所决定的，且其电流、电压值均有限 可测量，其数学期望存在。根据统计学理论，可认 为二极管的瞬态电流、电压是其内部参数的函数， 所以可通过电流与电压的仿真波形与实验波形的相 似度来评定电路模型中参数的准确性。本文使用相 关指数作为评判仿真结果波形与实验观测波形的接 近程度的标准。 第 30 卷第 6 期 方春恩等 PIN 型功率二极管动态特性物理模型参数提取 213 2 2 2 2 1 () 1 () YY R YY （19） 式中，实验观测波形数据为Y，其平均值为Y1，仿 真结果波形数据为Y2。 误差平方和 2 2 ()YY ，均方差 2 1 ()YY ， 误差平方和与均方差的比值越小，则仿真波形与实 验波形越接近，模型参数值就越接近实际值，所得 参数值就越准确。 3.5 参数提取结果 对图6所示电路进测试，得到PIN功率二极管 反向恢复的电压、电流波形。在Saber中构建仿真 电路，仿真得出相应的电压电流波形，并将实验波 形与仿真通过相关指数进行比对，通过上述的量子 遗传算法优化提取过程，最终得出达到一定精度的 PIN功率二极管技术参数值。图7所示为算法最终 获得的模型参数仿真波形和实验测试波形结果。 （a）反向恢复电流 （b）反向恢复电压 图 7 PIN 功率二极管反向恢复电流与电压 Fig.7 Reverse recovery current and voltage 通过优化算法提取所得PIN功率二极管技术参 数值见表2。 表 2 PIN 二极管主要技术参数提取结果 Tab.2 The result of extraction 参 数 数 值 有效面积 A/cm2 0.952 7 基区宽度 WB/m 5.794e4 N 区掺杂浓度 ND/cm3 5.782e14 载流子寿命/s 4.916e7 注入饱和电流 IS/A 2.418e13 4 PIN功率二极管参数提取方法有效性验证 功率二极管的关键物理参数提取是通过反向恢 复过程中实现，其有效性需要在其他动态过程中进 行验证23。因此，将以上优化所得参数输入仿真电 路的模型当中，仿真PIN功率二极管正向导通电压、 电流，所得仿真数据和实验结果进行比对，就可以 验证该方法的有效性。图8是模型参数有效性的仿 真和电路测试波形。 （a）正向恢复电流 （b）正向恢复电压 图 8 PIN 功率二极管正向恢复电流与电压 Fig.8 Forward recovery current and voltage 分析图8的仿真和测试结果表明，通过该方法 提取的PIN功率二极管内部物理参数能够较为准确 214 电 工 技 术 学 报 2015 年 3 月 地描述器件的动态特性，从而验证了该方法是有效 可靠的。 5 结论 本文对PIN功率二极管的动态特性及物理模型 进行了系统分析，提出了一种仿真结果与实验数据 相比对，通过优化算法提取PIN功率二极管内部物 理参数的方法，并对该方法的有效性进行了验证。 试验表明该方法能够较为真实、准确地实现对PIN 功率二极管内部物理参数的提取。该方法可进一步 进行研究，并推广到MOSFET、IGBT等其他电力 电子器件的内部物理参数提取，对电力电子系统的 设计与优化、模型仿真及器件的应用有一定的价值 和意义。 参考文献 1 唐勇, 胡安, 陈明. 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