Wie sollte sich die Reverse-Recovery-Funktion der Diode im Modell widerspiegeln?

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Halbbrücken-, Vollbrücken- und LLC-Stromversorgungssysteme sowie die Hauptleistungs-MOSFETs von Motorsteuerungssystemen, Freilaufschalter für synchrone Abwärtswandler und sekundäre synchrone Gleichrichtungsschalter durchlaufen einen Rückstromwiederherstellungsprozess für parasitäre Dioden. Die schlechten Reverse-Recovery-Eigenschaften der Body-Diode der Leistungs-MOSFET-Leitung führen zu einem Anstieg des Schaltverlusts der Diode, was die Effizienz des Systems verringert und gleichzeitig ein starkes Nachschwingen erzeugt, das sich negativ auf den Safe auswirkt Betrieb des Leistungs-MOSFET. Wie sollte die Reverse-Recovery-Funktion im Modell berücksichtigt werden? Lassen Sie uns heute darüber diskutieren.

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II. Mechanismus zur Wiederherstellung der Diodenrichtung

Wenn an die Body-Diode von außen eine Durchlassspannung VF angelegt wird, schwächt die Durchlassspannung das interne elektrische Feld des PN-Übergangs, die Driftbewegung wird abgeschwächt, die Diffusionsbewegung wird verstärkt und das dynamische Gleichgewicht von Diffusion und Drift wird gestört. Infolgedessen fließen Löcher (Polysonen) in der P-Region in die N-Region und Elektronen (Polysonen) in der N-Region in die P-Region. Die Elektronen, die in die P-Zone gelangen, und die Löcher, die in die N-Zone gelangen, werden jeweils zu den wenigen Söhnen der Zone. Daher gibt es in den P- und N-Regionen mehr weniger Söhne als ohne angelegte Spannung, und diese zusätzlichen wenigen Söhne werden als unausgeglichene wenige Tonnen bezeichnet.

Diese Nichtgleichgewichts-Fetronen diffundieren in den N- und P-Bereichen aufgrund des Konzentrationsunterschieds während der Akkumulation. Am Beispiel von Löchern wird die Lochkonzentrationsverteilung im N-Bereich ermittelt, wobei die Konzentration in der Nähe der Verbindungskante am größten ist und umso kleiner ist, je weiter sie von der Verbindungsstelle entfernt ist. Je größer der Vorwärtsstrom ist, desto größer ist die Anzahl der gespeicherten Löcher und desto größer ist der Gradient der Konzentrationsverteilung. Die Diffusion von Elektronen in den P-Bereich ist ähnlich und die folgende Grafik zeigt die Verteilung der gespeicherten Ladungen in der Diode. Das Phänomen der nicht im Gleichgewicht befindlichen Ansammlung von Minderheitsladungsträgern während der Vorwärtsleitung wird oft als Ladungsspeichereffekt bezeichnet.

Wenn eine Sperrspannung an die Body-Diode angelegt wird, verschwinden die im P-Bereich gespeicherten Elektronen und die im N-Bereich gespeicherten Löcher nicht sofort, sondern werden auf zwei Arten schrittweise reduziert:

A. Unter der Wirkung des umgekehrten elektrischen Feldes werden die Elektronen im P-Bereich in den N-Bereich zurückgezogen, und die Löcher im N-Bereich werden in den P-Bereich zurückgezogen, wodurch ein umgekehrter Driftstrom entsteht.

B. Rekombination mit den meisten Trägern. Der Reverse-Recovery-Prozess der Diode während des Schaltumwandlungsprozesses wird im Wesentlichen durch den Ladungsspeichereffekt verursacht, und die Reverse-Recovery-Zeit ist die Zeit, die erforderlich ist, damit die gespeicherte Ladung verschwindet.

Doppelimpuls-Testschaltung

0200-09315 HChuck, ESC-Abdeckring, Keramik

Der Doppelimpulstest ist eine weit verbreitete Testmethode zur Charakterisierung von Leistungsschaltkomponenten wie MOSFETs und IGBTs. Dieser Test bewertet nicht nur die Schalteigenschaften der Zielkomponenten, sondern auch die Reverse-Recovery-Eigenschaften von Fast-Recovery-Dioden (FRDs), die in Verbindung mit Body-Dioden und IGBTs verwendet werden. Daher ist es sehr nützlich, Schaltkreise zu bewerten, die aufgrund der Sperrverzögerungseigenschaften beim Einschalten Verluste verursachen. Nachfolgend ist das Prinzipschaltbild für den Doppelimpulstest dargestellt.

In dieser Schaltung ist die Oberseite das Diodenteströhrchen und die Unterseite der MOSFET zum Ansteuern. Die grundlegende Arbeit des Doppelimpulstests kann in drei Typen unterteilt werden: (1), (2) und (3). . Wenn die Spannung des Impulsgebers als VPulse definiert ist, ist der durch die Induktivität fließende Strom IL und die Spannung des DUT ist VDD. Wenn sich der Betrieb im Zustand (1) befindet, befindet sich der MOSFET im EIN-Zustand. Der Strompfad ist: Stromversorgung → Induktivität Ls → Induktivität L → MOSFET → Stromversorgung. Zu diesem Zeitpunkt akkumuliert der Induktor L. Wenn sich der Betrieb im Zustand (2) befindet, ist der MOSFET ausgeschaltet (I=0A), sodass der Strompfad wie folgt aussieht: Induktivität L→ Diode bildet einen geschlossenen Stromkreis und geht in den Freilaufbetrieb über. Wenn der Vorgang (3) ist, wird der MOSFET wieder eingeschaltet (EIN), und der Strompfad ist die Stromversorgung → Induktivität Ls → Induktivität L → MOSFET → Stromversorgung, und der Rückstrom der Diode überlappt sich mit dem Ein -Einschaltstrom und das Reverse-Recovery-Phänomen können durch Beobachtung des durch die Diode fließenden Stroms beobachtet werden.

Wie das SPICE-Modell die Reverse-Recovery-Funktion beschreibt

Die Gesamtladung Q in einer Diode besteht aus zwei Teilen: der in diesem Bereich aufgrund der Spannungsänderung an beiden Enden des Übergangs akkumulierten Ladung und der im neutralen Bereich (NR) gespeicherten Ladung, der von einem kleinen gebildet wird Anzahl der in die neutrale Region (NR) injizierten Träger. Die Sperrschichtkapazität CJ und die Diffusionskapazität CD entsprechen sich jeweils. Unter ihnen ist der Ausdruck von CJ wie folgt:

Und der Ausdruck für CD lautet:

Mit anderen Worten: Die Sperrverzögerung hängt von der Kapazität der Diode ab. Wenn wir die Kapazitätsparameter von CJ, CJO, M, FC, VJ bestimmen. Dann hängt der Parameter der umgekehrten Wiederherstellung mit dem Parameter TT von CD zusammen.

Wie SPICE-Modell Extrahiert die Reverse-Recovery-Parameter

Die Extraktion der Spice-Modellparameter kann in ICCAP erfolgen. ICCAP bietet ein einfaches Diodenbeispiel, anhand dessen wir ein Beispiel für die Überprüfung der Extraktion von Reverse-Recovery-Parametern entwickeln können.

In diesem Beispiel wird ein neues DUT mit dem Namen „Recovery“ definiert und eine Doppelpuls-Testschaltung geschrieben, in diesem Fall in der Spice-Syntax, die mit der entsprechenden Emulator-Syntax übereinstimmt.

Bei entsprechender Testsimulationsanregung können wir die charakteristische Kurve der Sperrverzögerung beobachten, indem wir den Strom durch die Diode testen.

Tuning kann in ICCAP verwendet werden, um die Abstimmung der entsprechenden Parameter zu optimieren. Wenn wir die TT-Parameter anpassen, werden wir feststellen, dass sich der Rückstrom ändert.

Verifizierung der Doppelpulstestsimulation

Ebenso können wir in ADS eine Doppelpuls-Testschaltung einrichten.

 

Die Simulationsergebnisse lauten wie folgt:

 

Zusammenfassung

In praktischen Anwendungen bringt uns die Body-Diode von MOSFETs viele Vorteile und Vorteile, aber wir können die Auswirkungen ihrer Reverse-Recovery-Eigenschaften auf das System nicht ignorieren.

Die Größe des trr-Werts (der mit dem TT-Parameter im Modell zusammenhängt) wirkt sich direkt auf die Leistung und Zuverlässigkeit des elektronischen Geräts aus. Hier sind einige wichtige Faktoren, die die TRR auf elektronischen Geräten beeinflussen:

Energieverbrauch und Effizienz: Ein hoher TRR-Wert bedeutet, dass das elektronische Gerät länger braucht, um sich rückwärts zu erholen, was zu einem höheren Energieverlust führt. Dies verringert die Energieeffizienz und Effizienz elektronischer Geräte.
2. Schaltgeschwindigkeit: Je kleiner der TRR-Wert, desto schneller ist die Rückwärtswiederherstellungsgeschwindigkeit des elektronischen Geräts. Bei Hochfrequenz-Schaltanwendungen können Geräte mit kurzen Sperrverzögerungszeiten den Zustand schneller wechseln und so die Reaktionsfähigkeit des Gesamtsystems verbessern.

3. Zuverlässigkeit: Wenn der Strom in entgegengesetzter Richtung durch die Diode fließt und der TRR-Wert zu groß ist, wird eine höhere Sperrspannungsspitze erzeugt. Dies kann zu Stromverlust, Wärmeentwicklung und Geräteschäden führen und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des gesamten Schaltkreises beeinträchtigen.