autor: dr inż. Jacek Dąbrowski, prof. dr hab. inż. Janusz Zarębski
Porównanie uzyskanych wyników pomiarów i symulacji modułu zawierającego diodę FRED przedstawiono kolejno na rys. 3 – dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia oraz na rys. 4 – dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym.
Rys. 3. Charakterystyki statyczne diody z modułu DSEI 2x161-12P spolaryzowanej w kierunku przewodzenia
Rys. 4. Charakterystyki statyczne diody z modułu DSEI 2x161-12P spolaryzowanej zaporowo
Rys. 5. Zmierzone i obliczone dla parametrów z zestawu A charakterystyki
d.c. diody z modułu DSEI 2x161-12P spolaryzowanej w kierunku przewodzenia
Jak wynika z rys. 3, w przypadku rozważanej diody zgodność pomiarów i symulacji jest nieznacznie gorsza, niż w przypadku diody PiN. Natomiast w przypadku polaryzacji zaporowej modułu DSEI 2x161-12P, jak pokazano na rys. 4, dla jednego zestawu wartości parametrów (zestaw E), w zakresie temperatury 23…76°C uzyskano satysfakcjonującą zgodność wyników pomiarów i symulacji. Z kolei, dla temperatury równej 124°C pomiędzy charakterystykami obliczonymi i zmierzonymi występują znaczne rozbieżności.
Na rysunku 5 w skali logarytmiczno-liniowej porównano obliczone charakterystyki rozważanej diody FRED uzyskane dla wartości parametrów z zestawu A z tabeli 2 (linie cienkie) z charakterystykami pomierzonymi (punkty). Jak widać, użycie tylko zestawu A dla szerokiego zakresu zmian wartości temperatury prowadzi do całkowicie błędnych obliczeń charakterystyk diody.
Rozważając zmierzone charakterystyki z rys. 5 należy zauważyć, iż w przypadku diody FRED nachylenie charakterystyk dla prądów mniejszych od 1 A jest zmienne, w szczególności dla mniejszych wartości temperatury otoczenia. Ponieważ nachylenie charakterystyk iF(uF) reprezentuje m.in. liniowe rezystancje doprowadzeń oraz nieliniową rezystancję bazy diody, należy wnioskować, iż w przypadku rozważanej diody dochodzi do szczególnie silnej modulacji konduktywności jej bazy przy wysokim poziomie wstrzykiwania nośników mniejszościowych.
Parametrem modelu diody wbudowanego w program SPICE, który pozwala uwzględnić w diodach mocy zjawisko modulacji konduktywności bazy jest prąd IKF. W przypadku silnego oddziaływania prądu rekombinacyjnego na charakterystyki w kierunku przewodzenia, jak wynika z przeprowadzonych symulacji, dodatkowym parametrem umożliwiającym korekcję tych charakterystyk jest także parametr VJ, reprezentujący potencjał wbudowany złącza. Jak wynika z porównania wartości tego parametru w tabelach 1 i 2, dla diody FRED przyjmuje on mniejszą wartość. Należy jednak pamiętać, iż parametr VJ wpływa także na właściwości dynamiczne diody, a więc kosztem poprawnego zamodelowania charakterystyk stałoprądowych może być błędny wynik obliczeń elektrycznych stanów przejściowych, np. podczas przełączania diody.
Potwierdzeniem silnego wpływu zjawiska modulacji konduktywności bazy diody na charakterystyki diody FRED, zależnym również od temperatury, są nieliniowe charakterystyki termometryczne. Nieliniowość tych charakterystyk skutkuje w efekcie zmienną wartością temperaturowego współczynnika zmian napięcia przewodzenia wyznaczanego z nachylenia charakterystyk termometrycznych. Przykładowo, w niższych temperaturach otoczenia Ta (23 do 100°C), dla prądu iF = 1 mA, współczynnik ten przyjmuje wartość około -4,5 mV/°C, natomiast w wyższej temperaturze Ta (> 100°C) przyjmuje on wartości mniejsze od - 1,5 mV/°C. Natomiast w diodach PiN z modułu SKKD 15/12, wartość rozważanego współczynnika dla prądu iF = 1 mA przyjmuje stałą wartość równą około -2,1 mV/°C w całym rozpatrywanym podczas badań zakresie temperatury.
Uwagi końcowe
W artykule poruszono problem modelowania statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych elektroizolowanych diodowych modułów mocy w programie SPICE, z wykorzystaniem wbudowanego w ten program modelu diody półprzewodnikowej. Jak wykazały wstępne badania, analizowany model poprawnie modeluje charakterystyki klasycznych diod PiN umieszczanych w modułach. Natomiast w przypadku modułów zawierających szybkie diody typu FRED, rozważany w pracy model jest mniej dokładny i nie umożliwia zamodelowania charakterystyk w szerokim zakresie zmian temperatury dla jednego zestawu wartości parametrów modelu.
W celu poprawy dokładności i uniwersalności modelu diody z programu SPICE niezbędna jest jego modyfikacja. Celowe są także dalsze badania właściwości innych typów diod FRED, w tym również właściwości dynamicznych.
Autorzy: dr inż. Jacek Dąbrowski, prof. dr hab. inż. Janusz Zarębski, Akademia Morska w Gdyni, Katedra Elektroniki Morskiej
Literatura:
[1] Hopkins D.C., Bhavnani S.H., Dala K.H.: Thermal Performance Comparison and Metallurgy of Direct Copper Bonded AlN, Al2O3 and BeO Assemblies. ISHM 1992, pp. 577–583.
[2] L indemann A., Strauch G.: Properties of Direct Aluminum Bonded Substrates for Power Semiconductor Components. IEEE Transactions On Power Electronics, vol. 22, no. 2, March 2007, pp. 384–391.
[3] Majumdar G.: Power Module Technology for Home Power. 2010 International Power Electronics Conference, pp. 773-777.
[4] Wolley E.D., Van Dell, W.R.: Fast recovery epitaxial diodes (FRED’s). Industry Applications Society Annual Meeting, 1988, vol. 1, pp. 655–663.
[5] Wilamowski M.B., Jaeger R.C.: Computerized Circuit Analysis Using SPICE Programs. McGraw-Hill Book Company, 1997.
[6] Zarębski J., Dąbrowski J., Bisewski D.: Analiza wpływu temperatury na właściwości impulsowe diod Schottky’ego mocy. Elektronika, nr 2, 2007, ss. 18–20.
ARTYKUŁY 
wstecz
