功率PIN二极管PSpice子电路模型

功率ＰＩＮ二极管ＰＳｐｉｃｅ子电路模型

作者：盛定仪 杨 耿 谭吉春 杨雨川 来源：《现代电子技术》2008年第06期

摘 要：提出一种改进的PIN二极管子电路模型。该模型能够反映PIN二极管的瞬态开关特性，将基区电导调制效应考虑在内。通过PSpice软件瞬态仿真PIN二极管的正向直流、反向恢复特性。利用该子电路对新型SiC材料PIN二极管建模仿真，仿真结果表明运用新材料对二极管开关性能有显著提高。

关键词：PIN二极管；电路模型PSpice仿真；碳化硅；瞬态开关特性 中图分类号：TN710 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2008)06-141-03

A New Power PIN Diode PSpice Subcircuit Model

SHENG Dingyi，YANG Geng，TAN Jichun，YANG Yuchuan

(Science School，National University of Defense Technology，Changsha，410073，China) Abstract：An improved PIN diode PSpice subcircuit model is proposed in this paper.The model takes into consideration of the conductivity modulation in the base and is able to accurately simulate switching behavior of PIN diodes.PSpice simulation results of PIN diode are presented，including forward V-A characteristic and reverse recovery.The subcircuit is also used to model a new SiC PIN diode.Simulation results indicate that using SiC PIN diodes can greatly improve the switching performance.

Keywords：PIN diode；PSpice simulation；SiC；transient switching characteristics 1 引 言

二极管在电子技术领域是一种必不可少的器件，但是对电路开发者而言缺少一个这样的模型，该模型要能准确反映出二极管的瞬态开关特性和高频电特性。目前电路模拟广泛使用的SPice程序中，二极管模型由导通进入关断状态时的特性是跳变曲线，也没有考虑他的正向恢复特性，不能描述其开关特性。

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多年来，国内外的研究人员多侧重于电力电子应用的PIN二极管的研究[1-4]，对高开关速度、高击穿电压、宽工作频带的PIN管的研究较少。本文在文献[5]的基础上，提出一种改进的PIN管子电路模型，能够仿真PIN二极管的瞬态开关特性，并且探索将这种子电路模型应用于对第三代宽带隙半导体材料碳化硅(SiC)PIN管的建模。对SiC材料PIN管建模的研究在国内还未见相关报道。

2 电路模型

对于一个基区宽度为ω，掺N型杂质的PIN二极管，结构如图1所示，两边的PN结jPI和jIN可以用普通的PN结二极管模拟，关键是中间的I层。I层电荷的存储产生电导调制效应，他决定了PIN二极管开关的尖锋泄漏、插入损耗和恢复时间等诸多瞬态特性。 图1 PIN二极管结构 式(2)中

；T0=x2m/Dα；τ代表载流子复合寿命；xm计算中可取ω/2。式(2)所

描述的I层电荷存储关系可以用图2所示电路网络来模拟。电压源Q0驱动一个梯型RC网络，输出即为二极管电流I。 图2 I层等效电路\\[6\\]

完整的PIN二极管子电路模型还包括用来模拟结jPI和jIN的理想二极管，以及由封装引入的寄生参量引线电感Lbond和管壳封装电容Cpack。子电路如图3所示。

图3 PIN二极管子电路模型

3 模型的验证

为了验证模型的准确性，这里选取AI公司的PIN二极管SMP1352-005进行建模仿真，他是一种表面封装的双管反向并联PIN管，专为大信号开关应用设计，可以适用在从10 MHz到

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超过2 GHz的宽频带范围，其主要技术参数为：I层厚度50 μm，载流子寿命1.5 μs，结电容0.3 pF。由厂家提供的数据手册抽取模型参数，二极管PSpice子电路模型主要参数见表1。 表1 PIN二极管子电路模型中部分模型参数

利用图3模型通过PSpice仿真得到PIN二极管正向直流伏安特性如图4所示。图中对正向电流使用对数坐标显示了从10～100 mA电流范围的仿真情况。仿真结果与实际器件特性相符合得很好。数据手册给出25 ℃时在10 mA正向电流下测得的电压为0.8 V，这个值与图4(a)一致，但是比图4(b)给出的值大了0.02 V左右。稍微的误差可能来自仿真电路参数与厂家测试条件不一致。图5给出了PIN二极管的反向恢复电流。 图4 PIN二极管直流伏安特性 图5 PIN二极管反向恢复电流

4 SiC功率PIN二极管建模仿真

借助于现代微电子技术的长足发展，以硅器件为基础的电力电子技术已臻于成熟。目前，这些器件的开关性能已随其结构设计和制造工艺的完善而接近其由材料特性决定的理论极限，依靠硅器件继续完善和提高电力电子装置与系统性能的潜力已十分有限。在功率半导体器件领域目前发展最快也极具应用前景的材料是以碳化硅为代表的第三代宽带隙半导体材料。碳化硅的击穿电场强度是硅的8倍，热导率性能是硅的3倍，其电子饱和漂移速度也是硅的2倍，更有利于提高器件的抗辐射性能，热稳定性以及工作频率[7]。

仍然考虑一个I层厚度50 μm的6H-SiC材料PIN二极管，其禁带宽度3 eV，极限击穿场强取Ec=1.2×106 V•cm-1，载流子寿命140 ns，内建电势差为1.3 V。由式

，和

得到管子的反向击穿电压3 000 V，漂移区杂质浓度约1015cm-3[5，6，

12]。对图3模型用6H-SiC物理性质参数修改后仿真得到碳化硅器件的正向伏安特性和反向恢复特性分别如图6和图7所示。

图6 6H-SiC PIN二极管正向伏安特性 图7 6H-SiC PIN二极管反向恢复电流

图6显示管子导通电压在1 V左右。图7显示在反向电压800 V，管子由正向导通(正向电流9 A)进入反向截止的反向恢复时间约为200 ns，峰值反向电流在10 A左右。因为第三代半导体材料生长与器件制造工艺存在诸多困难，有生产能力的企业很少，商用SiC功率PIN二极

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管在市场上还不多见。模型的准确性虽然缺少实际器件来验证，但此处SiC功率PIN二极管模型是图3建模方法的合理推广，仿真结果能够反映出二极管的瞬态开关特性，为SiC功率PIN二极管的研究提供了一个新方法。 5 结 语

一个准确的二极管模型对电路仿真至关重要，他影响到电路功率损耗的计算，预估电路电磁兼容性，还有对瞬态开关性能的评价。本文通过对PIN二极管建立PSpice子电路模型，提供了一种新的研究功率PIN二极管的方法。本文的子电路模型同样适用其他型号的PIN二极管，只需对相应参数做修改即可。

探索了对第三代宽带隙半导体材料碳化硅PIN二极管的建模。模型能够在一定程度反映出二极管的瞬态开关特性，具有一定的借鉴意义。 参考文献

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盛定仪 男，1982年出生，硕士生，湖北潜江人。主要研究方向为微波器件设计与仿真、电子系统加固。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。