考慮二極管非理想特性的中點鉗位三電平電路的分析

孟慶云 馬偉明 孫 馳 揭貴生

（海軍工程大學艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室 武漢 430033）

1 引言

作為功率器件的重要組成部分，功率二極管的應(yīng)用與研究越來越廣泛。隨著電壓、電流、功率等級的不斷提高，大功率裝置中二極管的非理想工作特性表現(xiàn)得尤其突出[1]。這種非理想特性主要表現(xiàn)為正向恢復(fù)電壓與反向恢復(fù)電流。當二極管作為吸收二極管、續(xù)流二極管以及鉗位二極管應(yīng)用時，其瞬態(tài)特性受外圍電路及可控器件（如IGBT或IGCT）開關(guān)特性的影響，同時反過來又對電路的工作性能、可控器件的電應(yīng)力以及EMI/EMC等產(chǎn)生很大影響。

NPC三電平電路作為高壓大容量逆變器優(yōu)選電路，在工業(yè)生產(chǎn)、機車牽引及多相電動機驅(qū)動等場合被廣泛采用。由于鉗位二極管的存在，三電平電路在電路結(jié)構(gòu)和控制上與兩電平電路具有較大差異，其不同工作狀態(tài)下具有不同的換流回路。同時，三電平電路還包含多種功能的二極管，如鉗位、續(xù)流、吸收二極管。文獻[2]以IGCT中點鉗位三電平電路中的二極管為研究對象，建立了二極管模型，但并沒有具體分析二極管特性對電路及 IGCT的影響情況。因此建立能夠描述非理想特性的二極管模型，研究其對NPC三電平電路及開關(guān)器件的影響，對于進一步理解 NPC三電平逆變電路工作機理和提高開關(guān)器件應(yīng)用可靠性具有重要的工程指導(dǎo)意義。

為了更加精確地描述二極管瞬態(tài)行為，20世紀90年代很多文獻對二極管模型進行了大量研究?；诎雽?dǎo)體物理方程，文獻[3]中 Lauritzen利用集總電荷的方法描述了二極管反向恢復(fù)電流指數(shù)衰減特性。文獻[4]建立了二極管PN結(jié)小信號SPICE模型，文獻[5-7]利用Saber軟件中MAST語言建立了具有正向和反向恢復(fù)特性的簡化物理模型。文獻[8-9]從二極管應(yīng)用的角度出發(fā)，進一步研究了二極管的正向恢復(fù)特性，分析了不同電路參數(shù)對二極管正向恢復(fù)電壓的影響程度。以上這些模型的建立與研究對于理解二極管工作特性有很大幫助，但是現(xiàn)有的仿真軟件，如 MaLab、Saber中，同時具有正向與反向恢復(fù)特性的二極管模型還不存在。另外基于半導(dǎo)體物理方程建立的二極管模型，在復(fù)雜的三電平電路中仿真時往往造成不收斂性。因此有必要建立具有正向與反向恢復(fù)特性、且易于實現(xiàn)的二極管模型，以正確分析三電平電路的工作特性。

本文在分析二極管非理想特性的產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，研究了功率二極管在NPC三電平電路中不同工作狀態(tài)下的瞬態(tài)行為及其對三電平電路主開關(guān)工作性能的影響。然后利用 Saber仿真軟件二極管建模工具，建立了具有反向恢復(fù)特性的二極管模型，結(jié)合正向恢復(fù)特性的“電感效應(yīng)”，建立了具有正向恢復(fù)電壓和反向恢復(fù)電流的二極管功能模型，并通過仿真驗證了模型對于定量分析三電平電路的工作性能是可行性。最后，以大功率NPC三電平IGBT逆變器為研究對象，通過實驗進一步證明了理論分析與仿真模型的正確性。

2 功率二極管非理想特性產(chǎn)生機理

應(yīng)用在電力電子裝置中的兩種二極管主要形式為肖特基二極管和 pin二極管[11]。肖特基二極管通常應(yīng)用于低壓小功率范圍，而在大功率場合應(yīng)用的功率二極管模塊為 pin型。由于器件構(gòu)造與制作工藝的差異，相對肖特基二極管來說，其工作特性表現(xiàn)出較強的“非理想性”，即正向恢復(fù)電壓和反向恢復(fù)電流。本文主要以 pin二極管為研究對象。

2.1 正向恢復(fù)特性

當對于一個處于反偏或非反偏下的 pin結(jié)二極管施加一個正向電流脈沖時，這個電流并不能立即通過二極管，因為從 p+到 n+的電荷載流子的注入需要花一個有限的時間，以在二極管的高阻部分建立一個電荷梯度，而此時在 i區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制還沒有發(fā)生。因此，二極管的兩端會出現(xiàn)一個瞬時峰值電壓VFR，這個電壓即為正向恢復(fù)電壓，如圖1所示。隨著越來越多的載流子注入，基區(qū)電阻率下降，從而二極管兩端電壓隨著時間降低，最終達到穩(wěn)態(tài)值[3]。可以發(fā)現(xiàn)，二極管正向恢復(fù)電壓外特性表現(xiàn)為“電感效應(yīng)”。對于一個給定的二極管，VFR隨著換流回路電流變化率 di/dt及器件結(jié)溫 Tj的增加而增加。二極管在低的di/dt情況下，由于i區(qū)電導(dǎo)調(diào)制的作用使得VFR值較小，而當di/dt增加到某一特定值時，VFR值將達到飽和[8]。圖2是英飛凌公司某高功率二極管模塊正向恢復(fù)電壓隨 di/dt以及結(jié)溫Tj的變化曲線圖。

圖1 二極管正向恢復(fù)特性Fig.1 The forward recovery characteristic

圖2 英飛凌公司某型號二極管模塊正向恢復(fù)特性Fig.2 The forward recovery characteristic of the diode module from Infineon company

2.2 反向恢復(fù)特性

當一個二極管正處于正向?qū)〞r，大量電荷被注入到二極管的高阻區(qū)。當施加一個反向電壓時，電荷的抽取導(dǎo)致反向恢復(fù)現(xiàn)象發(fā)生，這個現(xiàn)象在二極管從正向?qū)ǖ椒雌珪r的任何情況下都會發(fā)生。當正向電流IF減小到零后，會出現(xiàn)一個最大值為IRM的反向恢復(fù)電流流過二極管，這個電流主要是由所存儲的電荷維持。直到電荷的反向抽取過程完成及二極管內(nèi)部電荷載流子復(fù)合移除了大部分存儲電荷后，二極管才恢復(fù)其反向阻斷能力[1]。反向恢復(fù)電荷Qrr及反向恢復(fù)電流IRM由下式表示[10]

式中，T為軟化因子，T=tf/ts；tso、k1、k2是二極管關(guān)斷模型的優(yōu)化參數(shù)。因此，影響反向恢復(fù)電流的主要因素有給定的正向電流 IF、正電流的下降率di/dt，反向恢復(fù)電流隨著這些因素的增加而增大。另外，由于線路雜散電感的存在，在反向恢復(fù)過程中會產(chǎn)生反向恢復(fù)電壓尖峰，這個尖峰大小與di/dt和線路雜散電感有關(guān)。

圖3 二極管反向恢復(fù)特性Fig.3 The reverse recovery characteristic

3 NPC三電平電路不同工作狀態(tài)分析

NPC三電平電路（見圖4）工作時有三個工作狀態(tài)S1、S0、S-1，在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中要考慮死區(qū)時間，因此有表1所示的開關(guān)狀態(tài)。

表1 NPC三電平電路的開關(guān)狀態(tài)Tab.1 Swithing state of three-level inverter

圖4 NPC三電平電路Fig.4 The NPC three-level circuit

根據(jù)三電平電路結(jié)構(gòu)特點，本文定義VT1、VT4為外管，VT2、VT3為內(nèi)管。由于在控制與電路結(jié)構(gòu)上的對稱性，只對外管VT1、內(nèi)管VT2的開關(guān)過程進行分析即可。

3.1 外管VT1開關(guān)過程

外管VT1開通，那么內(nèi)管VT3關(guān)斷，考慮到死區(qū)時間，電路工作狀態(tài)由（0100）轉(zhuǎn)換至S1（1100）。負載電流將由鉗位二極管 VDcl1換流至外管 VT1，VDcl1由正向?qū)顟B(tài)向反向截止轉(zhuǎn)換，逐漸承受反壓。由于二極管的非理想特性，在反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電流，這個電流將疊加在外管VT1上，從而增加 VT1電流承載應(yīng)力。隨著換向時刻二極管正向電流值和電流換向速率di/dt的增加，二極管反向恢復(fù)電流值將隨之增大，嚴重時會造成主開關(guān)管VT1過流而損壞。

外管 VT1關(guān)斷，電路工作狀態(tài)由 S1（1100）轉(zhuǎn)換至（0100）。負載電流將由外管VT1換流至鉗位二極管 VDcl1，VDcl1由反向截止狀態(tài)向正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換。同樣，由于在二極管正向恢復(fù)過程中產(chǎn)生較高的正向恢復(fù)電壓，加上在換流回路中不可避免地存在雜散電感，那么外管 VT1的關(guān)斷尖峰電壓為

式中 Ud——直流母線電壓；

VLs1—換流回路雜散電感電壓，VLs1=Ls1·diLs1/dt；

Vfrdcl1——鉗位二極管 VDcl1正向恢復(fù)電壓尖峰。

由式（2）可知，外管VT1電壓尖峰取決于回路雜散電感、電流變化率 di/dt以及 VDcl1正向恢復(fù)電壓Vfrdcl1。而Vfrdcl1又是 di/dt的函數(shù)，即隨著di/dt的增加，Vfrdcl1將增大。另外，回路電流變化率di/dt會因雜散電感的增大而減小，反之亦然。由以上分析可知，影響外管電壓尖峰的因素是相互依存的。為了便于分析二極管正向恢復(fù)電壓對主開關(guān)管的影響，本文假定雜散電感較小，且在實驗中采用層疊母排作為模塊間的連線。總之，較大的正向恢復(fù)電壓對主開關(guān)管構(gòu)成了危險，因此應(yīng)該確保其足夠小，以保證開關(guān)管電壓尖峰處于安全工作區(qū)內(nèi)。

3.2 內(nèi)管VT2開關(guān)過程

假定電路初狀態(tài)為（0010），此時負載電流iload流過VT3、VT4的反并聯(lián)二極管VD3、VD4。由于此時母線電壓分別加在了 VT1、VT2上，鉗位二極管VDcl1處于“非反偏”狀態(tài)，但無電流流過。當電路狀態(tài)由（0010）轉(zhuǎn)換至S0（0110）時，內(nèi)管VT2開通，負載電流由VD3、VD4換流至VDcl1、VT2。鉗位二極管 VDcl1發(fā)生正向恢復(fù)過程，出現(xiàn)的正向恢復(fù)電壓將疊加在外管 VT1上。同理，VD3、VD4換流時的反向恢復(fù)電流將疊加在VDcl1和內(nèi)管VT2上，從而使 VDcl1和 VT2承受比 VT1較大開通電流，加大了鉗位二極管與內(nèi)管的電流應(yīng)力。

內(nèi)管VT2關(guān)斷，電路工作狀態(tài)由S0（0110）轉(zhuǎn)換至（0010）。負載電流將由 VT2管換流至 VD3、VD4，鉗位二極管由正向?qū)ㄏ颉胺欠雌睜顟B(tài)轉(zhuǎn)換，此時由于反向恢復(fù)電流產(chǎn)生，加上線路中的雜散電感，會產(chǎn)生反向電壓尖峰。VD3、VD4由反偏狀態(tài)進入正向?qū)顟B(tài)，從而產(chǎn)生較大的正向恢復(fù)電壓。與VT1關(guān)斷過程分析相同，那么VT2的關(guān)斷電壓尖峰為

式中 VLs2—換流回路雜散電感電壓，VLs2= Ls2·diLs2/dt；

Vfrd3——二極管VD3正向恢復(fù)電壓尖峰；

Vfrd4——二極管VD4正向恢復(fù)電壓尖峰；

Vdr——鉗位二極管VDcl1反向恢復(fù)電壓尖峰。

由上可以看出，由于內(nèi)管開關(guān)過程具有比外管“較長”的換流路徑，使得內(nèi)管往往承受比外管更大的電壓、電流應(yīng)力，因此在三電平電路設(shè)計過程中，尤其要注意確保內(nèi)管工作在安全區(qū)內(nèi)。

4 仿真驗證

為了驗證前面分析的正確性，利用仿真軟件Saber中的二極管建模工具“Diode Characterization Tool”建立了具有反向恢復(fù)特性的二極管模型，如圖5所示，Rs與VD主要影響二極管的I-V特性，Qrr主要決定反向恢復(fù)特性。本文以英飛凌的二極管模塊DD1200S33K2C為研究對象。利用Saber中的“Scanned Data Utility”工具將數(shù)據(jù)手冊中給出的I-V特性曲線在數(shù)據(jù)掃描工具中畫出，再利用模型優(yōu)化“Optimizer Utility”工具找出一組優(yōu)化參數(shù)，使二極管模型的 I-V曲線與模塊數(shù)據(jù)手冊中的I-V曲線基本是擬合的。對于反向恢復(fù)特性，需要通過手動的方法修改參數(shù)使其擬合數(shù)據(jù)手冊給出特定條件下的反向恢復(fù)電流值。

圖5 Saber中的二極管建模工具Fig.5 Diode model tools in Saber

二極管正向恢復(fù)過程主要是由于注入載流子過渡時間和電導(dǎo)調(diào)制造成的，但有一個次要因素是引線、硅晶元及封裝鐵磁體材料等的雜散電感。因此，正向恢復(fù)特性具有 “電感效應(yīng)”。將一個電感和帶反向恢復(fù)特性的二極管“封裝”為一個具有正向和反向恢復(fù)特性的二極管功能模型。為了驗證所建模型的非理想特性，采用基本的 Buck電路對所建二極管模型進行了仿真與實驗測試，測試結(jié)果如圖 6所示?？梢钥闯?，所建二極管模型有效地模擬了二極管的非理想特性。由于實驗中受線路雜散參數(shù)等的影響，使得實驗結(jié)果與仿真結(jié)果在數(shù)值上存在一些差別，但是這些差別對于二極管模型在電路中的應(yīng)用并不影響。

圖6 二極管仿真與實驗結(jié)果Fig.6 The diode result of simulation and experiment

采用如圖4所示的三電平電路，鉗位二極管以及 IGBT反并聯(lián)二極管均采用所建二極管模型。取直流母線電壓 Ud=4000V，負載電感 Lload=200μH。根據(jù)三電平電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，采用如圖7所示的驅(qū)動控制脈沖。仿真時假定換流回路的雜散電感比較小，以便清晰地分析二極管非理想特性對三電平電路主開關(guān)管的影響。

圖7 驅(qū)動脈沖發(fā)送方式Fig.7 The mode of the driver pulses

圖 8a中，t1、t2時刻分別對應(yīng)內(nèi)管開通與關(guān)斷時刻，在這兩個狀態(tài)變換過程中，分別造成了鉗位二極管產(chǎn)生正向恢復(fù)電壓尖峰和由反向恢復(fù)引起的反向電壓尖峰。從圖8b中可以看出，VD3、VD4的反向恢復(fù)特性使鉗位二極管 VDcl1開通時出現(xiàn)電流尖峰，這個尖峰同時也疊加在了內(nèi)管上。因此，分析仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，各開關(guān)管電壓、電流波形與前面分析是完全一致的。同時得出結(jié)論，在換流回路線路雜散電感較小的情況下，外管電壓尖峰主要由鉗位二極管的正向恢復(fù)電壓產(chǎn)生。內(nèi)管電壓尖峰主要由鉗位二極管、續(xù)流二極管 VD3、VD4的正向恢復(fù)電壓產(chǎn)生。另外鉗位二極管的反向恢復(fù)電流疊加在外管上，續(xù)流二極管 VD3、VD4的反向恢復(fù)電流疊加在內(nèi)管上。二極管的這種非理想特性不僅增加了開關(guān)管的電應(yīng)力，也增加了開關(guān)損耗，對開關(guān)管的可靠使用產(chǎn)生很大影響。

圖8 仿真結(jié)果Fig.8 The results of simulation

5 實驗結(jié)果及分析

實驗電路采用如圖4所示電路，外管、內(nèi)管采用Infineon公司型號為FZ1500R33HL3的IGBT模塊（1500A/3300V），DD1200S33K2C二極管模塊（1200A/3300V）作為鉗位二極管VDcl1、VDcl2；為了減小換流回路的雜散電感，采用精心設(shè)計的層疊復(fù)合母排作為各開關(guān)管的連接線。三電平電路采用純電容吸收以防止開關(guān)管過電壓，驅(qū)動脈沖發(fā)送方式如圖 7所示，直流母線電壓 Ud=1800V。實驗平臺實物照片如圖9所示。

圖9 實驗平臺實物照片F(xiàn)ig.9 The photograph of the test prototype

由于整個電路的連接是由層疊母排完成的，因此對于鉗位二極管的反向恢復(fù)電流及正向電流無法直接測得，采用間接方法，測試如圖4所示的兩個電流，分別為 iLs1、iCsnu1。那么有外管 VT1的電流為

根據(jù)三電平電路的工作原理，外管VT1與鉗位二極管動作為“互補”關(guān)系，即當外管VT1開通時，鉗位二極管 VDcl1的電流將換流至外管 VT1，所產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流將疊加到外管的初始開通電流上，而外管的初始開通電流等于鉗位二極管的正向?qū)娏鳌榱烁玫貙Ρ确治龆O管非理想特性對NPC三電平電路的影響程度，分別進行了最大負載電流為1100A和1500A的兩次實驗，實驗波形如圖10和圖11所示。

圖10 負載電流最大為1100A時實驗波形Fig.10 The experimental waveforms when iload=1100A

圖11 負載電流最大為1500A時實驗波形Fig.11 The experimental waveforms when iload=1500A

根據(jù)實驗波形列出兩次實驗的主要數(shù)據(jù)進行對比，分別見表2和表3。

表2 負載電流為1100A時的實驗數(shù)據(jù)Tab.2 The experimental data when iload=1100A

表3 負載電流為1500A時的實驗數(shù)據(jù)Tab.3 The experimental data when iload=1500A

由實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，NPC三電平電路中的VT1、VT2受二極管的非理想特性影響較大。隨著負載電流的增加，較大的反向恢復(fù)電流和正向恢復(fù)電壓增加了主開關(guān)管的工作應(yīng)力。由于換流回路的雜散電感足夠小，對比兩次實驗結(jié)果可知由雜散電感引起的電壓尖峰相對較小，而開關(guān)管的電壓尖峰主要是由二極管的正向恢復(fù)特性產(chǎn)生，這一點與仿真結(jié)果是一致的。

為了減小二極管非理想特性對主開關(guān)器件的影響，可以采用外圍吸收電路改變回路的換流速度，如文獻[12]采用飽和開通電感以減小二極管反向恢復(fù)電流、開通損耗及EMI。文獻[13]中將 Undeland吸收電路應(yīng)用于多電平逆變器中減小了鉗位二極管與外管之間的電流變化率di/dt，在一定程度上減小了二極管非理想特性對主開關(guān)管的影響。但是由于開通電感在復(fù)位后要釋放所存儲的能量，尤其在高頻情況下會增加系統(tǒng)損耗，降低系統(tǒng)效率。二極管非理想特性是其本身固有的特性，特別是在高功率時表現(xiàn)得尤為突出。器件廠家不可能給出各種電路條件下的正向恢復(fù)電壓值和反向恢復(fù)電流值，因此需要電路設(shè)計者盡量選取具有軟恢復(fù)特性的快恢復(fù)二極管，并通過實驗確定具體電路極限情況下二極管非理想特性對電路的影響程度。

6 結(jié)論

本文詳細分析了 NPC三電平電路不同工作狀態(tài)下內(nèi)、外管的開關(guān)過程，研究了二極管非理想特性對整個電路以及主開關(guān)的影響程度，建立了具有正向恢復(fù)電壓與反向恢復(fù)電流的二極管功能模型，通過仿真和實驗驗證了二極管建模和理論分析的正確性。因此，通過研究得出以下結(jié)論：

（1）大功率應(yīng)用場合，二極管的非理想特性對電路性能和主開關(guān)電（電壓、電流）應(yīng)力影響較大。

（2）NPC三電平電路中，內(nèi)管往往比外管承受更大的電應(yīng)力，因為內(nèi)管開關(guān)過程中參與動作的器件數(shù)量較多，換流回路較長。

（3）非理想特性是功率二極管固有特性，需要電路設(shè)計者通過試驗對所選二極管進行必要的測試，以掌握其工作特性，尤其是非理想特性。

（4）建立較為精確的二極管模型，充分掌握二極管工作特性，對于電路的定量分析與設(shè)計以及開關(guān)器件的可靠應(yīng)用可以起到一定的工程指導(dǎo)作用。

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