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PIN 전력 다이오드 동적 거동 및 물리 기반 모델 파라미터 추출 방법
Jan 27, 2018

전력 전자 시스템의 핵심 구성 요소로서, 전력 반도체 소자는 지난 세기의 70 년대에 등장한 이래 현대 생활에서 없어서는 안될 전자 부품이었습니다. 특히 최근 몇 년 동안, 에너지 절약과 새로운 에너지 개발, 전력 전자 시스템의 전력 변환 및 처리의 수요를 충족하기 위해 글로벌 에너지 부족 및 환경 저하 테스트의 얼굴은 점점 더 널리 사용되는 전력 전자 모든 종류의 장치는 대용량 및 높은 신뢰성과 모듈 식 방향을 지향합니다. 중요한 구성 요소 인 파워 다이오드는 가정용 전자 제품 및 산업 전자 시스템, 자동차 및 동력 전달 시스템 전자 시스템, 스마트 그리드, 선박 및 우주 항공 분야에서 널리 사용됩니다. 전력 반도체 소자 설계 수준 및 제조 기술의 발전으로 내전압 수준, 전도 전류, 스위칭 손실 및 동적 특성과 같은 전력 다이오드의 성능이 크게 향상되었습니다.


높은 비용과 쉽게 전력 반도체 소자의 파괴 때문에, 컴퓨터 시뮬레이션은 일반적으로 시스템 설계에 사용됩니다.

전력 전자 시스템 시뮬레이션의 정확도는 시뮬레이션에 사용 된 모델 및 모델 매개 변수에 의해 결정됩니다. 정확하고 신뢰성 있고 실제적인 지침 결과를 얻기 위해서는 정확한 물리적 모델 매개 변수를 가져야하며 정확한 물리적 모델 매개 변수 만 가져야하므로 전력 반도체 장치 모델은 의미가 있습니다.


그러나 디바이스 제조업체의 기술 봉쇄로 인해 전력 반도체 디바이스의 정확한 모델 파라미터는 제조업체 및 기존 테스트 방법을 통해 얻기가 어려우므로 시뮬레이션 모델의 사용과 디바이스 애플리케이션 수준의 향상이 제한됩니다. 수년 동안 전력 및 전자 장치 내에서 주요 매개 변수를 정확하게 추출하는 방법은 전력 전자 분야에서 가장 중요한 주제였습니다. 파워 다이오드 개폐의 동적 특성은 내부 물리적 구조, 작업 메커니즘 및 기본 영역에서 캐리어의 분포를 반영 할 수 있습니다. 첫째로, PIN 전력 다이오드의 동적 인 특성 및 내부 구조의 분석에서 주요 매개 변수를 기반으로 동적 특성을 결정했습니다. 다음 다이나믹 시뮬레이션과 최적화 알고리즘을 결합하여 파워 다이오드의 주요 파라미터를 최적화하는 방법을 사용한다. 전력 다이오드의 파라미터 식별을위한 제안 된 방법의 유효성이 검증되었다.


1 PIN 전력 다이오드의 기본 구조와 동특성

그림 1은 PIN 형 전력 다이오드의 내부 구조와 캐리어 농도 분포의 원리 다이어그램을 보여준다. PIN 다이오드는 주로 P 영역과 N 영역과 I 영역 (N- 영역)의 낮은 도핑 농도로 구성됩니다. I 영역의 추가로 인해 PIN 다이오드는 높은 차단 전압을 견딜 수 있습니다. 다이오드의 전도 저항은 넓은베이스 영역에 주입 될 때 컨덕턴스 변조에 의해 크게 감소 될 수있다. 턴 온 및 턴 오프 특성을 포함한 전력 다이오드의 동적 특성은 I 영역에서의 캐리어 분포 및 변경 프로세스에 의해 결정되며, 이는 전력 다이오드의 순방향 및 역방향 복구 특성에 나타난다.

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1.1 개방 특성

다이오드 과도 전류 구간의 가이드에는 안정화 시간 후 애노드 전압 오버 슈트 피크가 수반되며 전압 강하는 매우 작습니다 (그림 2 참조). 다이오드의 순방향 복구 프로세스는 주로 리드의 길이, 소자 패키지 및 내부 N 영역에서 컨덕턴스 변조의 영향을받습니다.

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큰 주입 조건 하에서, 초과 캐리어의 농도는 드리프트 영역에서 컨덕턴스 변조를 결정한다. 주입 드리프트 영역의 초과 캐리어 농도는 연속 방정식에 의해 결정됩니다.


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式 中 n - 과잉 담체 농도;

J n - 전자 전류 밀도;

q - 단위 요금 금액;

τ - 캐리어 수명 초과.


순방향 오버 슛 전압은 전류가 매우 빠르게 변할 때만 발생하며 지속 시간은 복합 수명보다 짧습니다. 전류는 주로 확산 공정에 의해 결정되며 복합 공정은 무시 될 수 있으므로 전자 전류 밀도는

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초과 캐리어 농도

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식 중, Dn은 전자 확산 계수이다.

순방향 복구의 일시적인 과정에서, 전류 밀도는 a의 비율로 증가하고, 드리프트 영역의 초과 캐리어 농도가 얻어진다.

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드리프트 영역의 전체 전자 농도는

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PN 접합부로부터 X만큼 떨어져서, DX의 두께의 작은 부분이 고려되며, 드리프트 영역의 저항은 동일합니다.

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양의 회수 전압을 얻을 수 있습니다.

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유형 T M - 확산 통과 상수;

V T - 온도 및 전압 등가성, V T = k T / q;

k = Boltzmann 상수 k = 1.38 × 10-23 J / K;

T - 열역학 온도.


1.2 특성 끄기

전도 상태에있는 다이오드가 갑자기 역 전압을인가하면 다이오드의 역 차단 기능은 역 회복 과정 인 회복 시간을 갖게됩니다. 다이오드는 차단 능력이 복구되기 전에 단락 회로 상태와 동일합니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, t = t f 에서 다이오드의 순방향 전류 I F 는인가 된 역 전압의 영향으로 d / dt의 속도로 감소한다. I F 의 변화율은 외부 역 전압 E로부터이며 루프의 인덕턴스 L이 결정되고,

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t = t0 일 때, 다이오드의 전류는 0과 같다. 이 전에 다이오드는 순방향 바이어스 상태이고 전류는 양의 전류입니다. t0 시간 후에, 순방향 전압 강하가 약간 감소하지만, 여전히 플러스 바이어스이며, 전류는 역전되기 시작하여 역 회복 전류 IRR을 형성한다. t = t 1 일 때, 드리프트 영역의 전하 Q1은 펌핑되고, 역전 류는 IRM의 최대 값에 도달하며, 다이오드는 차단 능력을 회복하기 시작한다. T1 시간 후, PIN 다이오드의 경우 복구 단계에서 PN 접합부의 캐리어 농도가 다른 영역의 캐리어 농도보다 높습니다. 공간 전하 층이 설정되면 N 영역에서 빠르게 확산되어 잔류 캐리어를 빠르게 제거하여 역전 류가 급격하게 감소합니다. 전류 하강 속도의 d irr / dt가 더 크기 때문에, 라인의 인덕터 전압은 더 높은 유도 전압을 생성합니다. 이 유도 전압은 다이오드에인가 된 역 전압과 겹쳐 지므로 다이오드는 높은 역 전압 VRM을 견딜 수 있습니다.


t = t 2 후에, d irr / dt는 점차적으로 0으로 감소하고, 인덕턴스 전압은 0으로 떨어지고, 다이오드는 역 블록을 복원하고 정적 역 전압의 위상을 입력한다. 역 회복 프로세스에 영향을 미치는 주된 요인은 역전 전하, 즉 총 전하량 Q rr 이 역 회복 프로세스 동안 제거된다는 것입니다.

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드리프트 영역에서 자유 캐리어 농도가 선형화 될 수 있다고 가정하면 그림 4와 같이 일정한 전류 변화율로 파워 다이오드가 꺼지면 역 회복 프로세스를 설정할 수 있습니다.

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현 상태에 기초한 전연 담체 농도 분포는 대략 드리프트 영역의 중간 부분의 평균값과 x = 0 n (-d)에서 x에서의 평균 담체 농도 Na 사이의 선형 변화로 대체 될 수있다 = b. 이들 담체의 농도는

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드리프트 영역에서의 평균 캐리어 농도

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τ HL 유형 - 잉여 잉여 잉여 수명;

J T - 다이오드 양극의 총 전류 밀도;

J F - 다이오드의 순방향 전류 밀도;

L a - 양극 확산 길이.


턴 오프 프로세스의 제 1 단계에서, PIN 정류기의 전류 밀도는 통과 상태 전류 밀도 (JF)로부터 t0 순간에서 0으로 변한다. 제 1 스테이지의 끝에서, 캐리어 분포는 t0 시간의 끝에서 전류가 0이기 때문에 평평하게된다. 이 위상 드리프트 영역에 저장된 전하의 변화는

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유형 a - 전류 밀도의 변화율.

0 으로의 현재 변화의 t 0 순간은 다음과 같이 표현된다.

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턴 오프 프로세스의 두 번째 단계는 전압의 견딜 수 있도록 전류의 0 ° 에서 P + N 접합부까지의 T1 시간입니다. 시간 T1은 과도 적 공정의 종료 동안 t = t0t0t = t1로부터 추출 된 전하를 분석함으로써 얻어 질 수있다. 이 기간 동안 추출 된 요금은

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시간 T1은

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과도 전류 프로세스의 세 번째 단계가 꺼지면 PIN 다이오드 아래의 전압이 증가하기 시작합니다. 초기에 공간 전하 영역 인 WSC (T)는 시간이 지남에 따라 바깥쪽으로 팽창한다. 이 과정에서, 드리프트 영역에 저장된 전하가 더 추출되어 T1 이후에 역전 류가 감소한다. 저장 전하가 추출 될 때 전류는 대략 일정하다고 가정하고, T1 순간에 P + N 접합이 역전 될 때, t 순간에 추출 된 저장 전하는 동일하다.

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공간 전하 영역 전압

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공간 충전 영역은 다음과 같이 표현 될 수있다.

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역 회복 전압은 세 번째 단계에서 t = t2의 끝에서 피크이다.