Diode (Advanced)

Модель диода с кусочно-линейной ВАХ аналогична модели Диод, с добавлением фиксированной емкости перехода и возможностью учета динамики заряда. Если прямое напряжение на диоде превышает значение, указанное в параметре Forward voltage, то диод ведет себя как линейный резистор с сопротивлением, указанным в параметре On resistance. В ином случае, диод ведет себя как линейный резистор с малой проводимостью, указанной в параметре Off conductance. При нулевом напряжении через диод протекает нулевой ток.

Экспоненциальная ВАХ представляет собой следующую зависимость между током диода и напряжением на диоде :

, при ,

, при ,

где

Когда , блок заменяет на , что соответствует градиенту тока диода при и экстраполируется линейно.

Когда блок заменяет на , что также соответствует градиенту и экстраполируется линейно.

Обычные электрические цепи не достигают таких экстремальных значений. Блок обеспечивает эту линейную экстраполяцию для облегчения сходимости при решении ограничений в процессе моделирования.

Если для параметра Parameterization выбрать значение Use parameters IS and N, то диод задается в виде параметров Saturation current, IS и Emission coefficient, N.

Если для параметра Parameterization выбрать Use two I-V curve data points, то задаются две точки измерения напряжения и тока на ВАХ диода, и блок определяет значения и . При этом рассчитывает и следующим образом:

,

,

где

Если для параметра Parameterization выбрать Use an I-V data point and IS, то блок рассчитывает следующим образом:

.

Если для параметра Parameterization выбрать Use an I-V data point and N, то блок рассчитывает следующим образом:

.

Для моделирования диода с табулированной ВАХ установите для параметра Diode model значение Tabulated I-V curve. На этом рисунке показана реализация варианта диода с табулированной ВАХ:

Вы предоставляете табличные данные только для прямого смещения. Для нахождения промежуточных значений блок использует модифицированную интерполяцию Акима. Если напряжение или ток выходят за пределы диапазона табличных данных, блок использует линейную экстраполяцию после последней точки данных напряжения и тока.

Для обратного смещения:

Если в блоке используется тепловой порт, то емкость перехода можно моделировать только если для параметра Fidelity level установлено значение Include capacitance and charge dynamics.

Включить моделирование емкости перехода возможно тремя способами:

где

Напряжения обратного смещения (определяемые как положительные значения) должны удовлетворять условию . Это означает, что емкости должны удовлетворять условию , так как обратное смещение расширяет область обеднения и, следовательно, уменьшает емкость. Нарушение этих неравенств приводит к ошибке. Напряжения и должны быть достаточно удалены от потенциала перехода . Напряжение должно быть меньше потенциала перехода , при этом типовое значение составляет 0.1 В.

Зависимая от напряжения емкость перехода определяется с точки зрения накопления заряда конденсатора как:

Где

Эти уравнения аналогичны, приведенным в [2], за исключением того, что температурная зависимость для и не моделируется.

Если в блоке используется тепловой порт, то емкость перехода можно моделировать только если для параметра Fidelity level установлено значение Include capacitance and charge dynamics.

Для таких приложений, как диоды для схем коммутации, может оказаться важным моделирование динамики заряда диода. Когда к диоду с прямым входом прикладывается обратное напряжение, требуется время для рассеивания заряда и, следовательно, для выключения диода. Время, необходимое для выключения диода, определяется главным образом параметром времени пролета. После выключения диода оставшийся заряд рассеивается, причем скорость этого процесса определяется временем жизни носителей.

Для учета этих эффектов в блоке используется модель Лауритцена и Ма [3]. Определяющие уравнения приведены ниже:

, (1)

, (2)

, (3)

где

На этом графике показана типовая характеристика обратного тока для диода.

Где

В технических характеристиках диодов приводятся значения пикового обратного тока для начального прямого тока и постоянной скорости изменения тока. В паспорте также могут быть указаны значения времени обратного восстановления и полного заряда восстановления.

Как блок рассчитывает и

Блок рассчитывает время пролета, , и время жизни носителя, , на основе значений, введенных для параметра Charge Dynamics. Блок использует и для решения уравнений динамики заряда (1), (2) и (3).

Во время начального спада тока в обратном режиме диод остается включенным, а скорость изменения тока определяется внешней тестовой схемой.

Сначала блок использует уравнение (1) для выполнения этого расчета:

. (4)

Затем производится подстановка уравнения (4) в уравнение (2):

. (5)

Затем решается уравнение (5) для :

, (6)

где — постоянная величина.

Когда , и , поскольку система находится в устойчивом состоянии.

Подставляя эти соотношения в уравнение (6) и решая его, получим .

Таким образом,

. (7)

В момент времени ток равен , а заряд спая равен нулю. Блок подставляет эти значения в уравнение (1).

. (8)

Блок выражает из уравнения (8) и подставляет полученный результат в уравнение (7).

. (9)

Затем блок выражает время через , и .

. (10)

Рассмотрим процесс восстановления диода, т.е. когда . Диод обратно смещен, и ток и заряд перехода фактически равны нулю.

Ток определяется уравнением:

, (11)

где

. (12)

Теперь блок связывает выражение в уравнении (12) с временем обратного восстановления .

Когда ток составляет .

Поэтому

(13)

и

. (14)

Блок использует уравнения (9) и (14) для расчета значений и . В расчете используется итерационная схема, поскольку в уравнении (9) присутствует экспоненциальный член.

Альтернативы прямому указанию

Помимо того, что блок позволяет задавать время обратного восстановления напрямую, он поддерживает три альтернативных параметризации. Блок может определить из любого из параметров:

Связь между коэффициентом растяжения времени обратного восстановления и выражается уравнением

.

Время обратного восстановления должно быть больше, чем . Его типичное значение равно .

Поэтому типичное значение равно 3. Значение должно быть больше 1.

Заряд обратного восстановления — это интеграл по времени обратного тока от момента перехода тока в отрицательное значение до его обратного спада до нуля.

Начальный заряд к моменту времени выражается следующим уравнением:

. (15)

Интегрирование уравнения (11) дает заряд между моментами времени и inf. Этот заряд равен .

Таким образом, суммарный заряд обратного восстановления определяется уравнением

. (16)

Перестановка уравнения 16 для решения и подстановка результата в уравнение 14 дает уравнение, выражающее в значениях :

.

В качестве альтернативы блок рассчитывает , используя энергию обратного восстановления . Это уравнение определяет кривую напряжения на диоде:

, (17)

где максимальное обратное напряжение диода.

Если , что является обычным условием для схемы проверки обратного восстановления, то блок рассчитывает максимальное обратное напряжение диода как:

.

Поскольку значение времени спада мало, блок предполагает, что спад тока диода является линейным:

. (18)

Затем подставляется уравнение (18) в уравнение (5):

. (19)

Для получения суммарного накопленного заряда решается уравнение (19):

, (20),

где — градиент тока.

Когда , то пиковый обратный ток составляет:

. (21)

Теперь блок подставляет уравнение (21) в уравнение (20):

. (22)

Наконец, блок решает уравнение (22) для получения энергии обратного восстановления:

. (23)

По умолчанию для блока Diode (Advanced) зависимость от температуры не моделируется, и устройство моделируется при температуре, для которой заданы параметры блока. Диод с экспоненциальной ВАХ содержит несколько вариантов моделирования зависимости тока и напряжения диода от температуры в процессе моделирования. Температурная зависимость емкости перехода не моделируется, поскольку ее влияние значительно меньше.

При включении температурной зависимости, определяющее уравнение диода остается прежним. Значение температуры измерения , заменяется на температуру моделирования . Ток насыщения, , становится функцией температуры в соответствии со следующим уравнением:

,

где

Соответствующие значения и зависят от типа диода и используемого полупроводникового материала. Значения по умолчанию для конкретных типов материалов и диодов отражают примерное поведение при изменении температуры. В блоке приведены значения по умолчанию для распространенных типов диодов.

На практике для моделирования точного поведения конкретного диода требуется настройка значений и . Некоторые производители указывают эти настроенные значения в технических паспортах, где вы можете посмотреть соответствующие значения. В ином случае, можно определить улучшенные оценки для , используя определенную точку данных тока-напряжения при более высокой температуре в техническом паспорте. Для этого в блоке предусмотрена возможность параметризации. Он также позволяет напрямую задать ток насыщения при более высокой температуре .

Если задается конечное обратное пробивное напряжение , то значение обратного модулируется температурным коэффициентом обратного пробоя (задается с помощью параметра Reverse breakdown voltage temperature coefficient dBV/dT):

. (24)

Вы можете использовать опцию идеального переключения с блоками для схем коммутации:

Диод в этих блоках можно смоделировать внутри, или используя отдельный блок Diode (Advanced).

Чтобы использовать опцию идеального переключения, установите для параметра Fidelity level значение Ideal switching.

Потери при обратном восстановлении являются одним из основных источников тепловых потерь в диодах. Диод рассеивает энергию при каждом выключении, переходя из проводящего состояния в состояние разомкнутой цепи.

При идеальном переключении блок не использует физическую модель заряда. Блок представляет потери, создаваемые зарядом при обратном восстановлении, как мгновенные потери.

Блок применяет потери при обратном восстановлении, повышая температуру перехода на величину, равную потерям при обратном восстановлении, деленным на общую теплоемкость перехода.

Если для параметра Reverse recovery loss model установлено значение Tabulated loss, то значение параметра Reverse recovery loss table, Erec(Tj, If) определяет рассеиваемую энергию как функцию температуры перехода и прямого тока непосредственно перед событием переключения. Напряжение выключения линейно масштабирует потери относительно Turn-off voltage when measuring recovery loss, Vrec. В таблице используются задержанные значения тока и напряжения. Чтобы использовать в таблице поиска значение, близкое к мгновенному, установите для параметра Filter time constant for voltage and current values значение меньшее, чем самый быстрый период переключения.

Если для параметра Reverse recovery loss model установлено значение Fixed loss, то значение параметра Reverse recovery loss определяет энергию, рассеиваемую при каждом событии выключения. Если выбрать параметр Scale reverse recovery loss with current and voltage, то блок линейно масштабирует это значение потерь по току включения и напряжению выключения. Для использования значений масштабирования, близких к мгновенным значениям, установите Filter time constant for voltage and current values на значение, меньшее, чем самый быстрый период переключения.

Для моделирования влияния выделяемого тепла и температуры устройства можно использовать тепловой порт:

Для моделирования диода Зенера (полупроводникового стабилитрона), проводящего в прямом и обратном смещенных направлениях, установите флажок Model Zener diode и укажите значение для параметра Reverse breakdown voltage.

При выборе этой опции можно моделировать обратные ВАХ для блока диода, указав значения параметров Reverse voltages, Vr(Tj,Ir), Reverse currents, Ir(Tj,Vr), Reverse voltages, Vr и Reverse currents, Ir.