孟慶云 馬偉明 孫 馳 揭貴生
(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033)
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(lái)越廣泛。隨著電壓、電流、功率等級(jí)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(dāng)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(shí),其瞬態(tài)特性受外圍電路及可控器件(如IGBT或IGCT)開(kāi)關(guān)特性的影響,同時(shí)反過(guò)來(lái)又對(duì)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(jī)車(chē)牽引及多相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)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(shí),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(xiàn)[2]以IGCT中點(diǎn)鉗位三電平電路中的二極管為研究對(duì)象,建立了二極管模型,但并沒(méi)有具體分析二極管特性對(duì)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(duì)NPC三電平電路及開(kāi)關(guān)器件的影響,對(duì)于進(jìn)一步理解 NPC三電平逆變電路工作機(jī)理和提高開(kāi)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(jì)90年代很多文獻(xiàn)對(duì)二極管模型進(jìn)行了大量研究?;诎雽?dǎo)體物理方程,文獻(xiàn)[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(xiàn)[4]建立了二極管PN結(jié)小信號(hào)SPICE模型,文獻(xiàn)[5-7]利用Saber軟件中MAST語(yǔ)言建立了具有正向和反向恢復(fù)特性的簡(jiǎn)化物理模型。文獻(xiàn)[8-9]從二極管應(yīng)用的角度出發(fā),進(jìn)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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(duì)三電平電路主開(kāi)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(guò)仿真驗(yàn)證了模型對(duì)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(duì)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了理論分析與仿真模型的正確性。
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(chǎng)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(duì)肖特基二極管來(lái)說(shuō),其工作特性表現(xiàn)出較強(qiáng)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(duì)象。
當(dāng)對(duì)于一個(gè)處于反偏或非反偏下的 pin結(jié)二極管施加一個(gè)正向電流脈沖時(shí),這個(gè)電流并不能立即通過(guò)二極管,因?yàn)閺?p+到 n+的電荷載流子的注入需要花一個(gè)有限的時(shí)間,以在二極管的高阻部分建立一個(gè)電荷梯度,而此時(shí)在 i區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制還沒(méi)有發(fā)生。因此,二極管的兩端會(huì)出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)峰值電壓VFR,這個(gè)電壓即為正向恢復(fù)電壓,如圖1所示。隨著越來(lái)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(shí)間降低,最終達(dá)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(duì)于一個(gè)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(dāng)di/dt增加到某一特定值時(shí),VFR值將達(dá)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(hào)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
當(dāng)一個(gè)二極管正處于正向?qū)〞r(shí),大量電荷被注入到二極管的高阻區(qū)。當(dāng)施加一個(gè)反向電壓時(shí),電荷的抽取導(dǎo)致反向恢復(fù)現(xiàn)象發(fā)生,這個(gè)現(xiàn)象在二極管從正向?qū)ǖ椒雌珪r(shí)的任何情況下都會(huì)發(fā)生。當(dāng)正向電流IF減小到零后,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值為IRM的反向恢復(fù)電流流過(guò)二極管,這個(gè)電流主要是由所存儲(chǔ)的電荷維持。直到電荷的反向抽取過(guò)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(chǔ)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電壓尖峰,這個(gè)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
NPC三電平電路(見(jiàn)圖4)工作時(shí)有三個(gè)工作狀態(tài)S1、S0、S-1,在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中要考慮死區(qū)時(shí)間,因此有表1所示的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
表1 NPC三電平電路的開(kāi)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(diǎn),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(duì)稱(chēng)性,只對(duì)外管VT1、內(nèi)管VT2的開(kāi)關(guān)過(guò)程進(jìn)行分析即可。
外管VT1開(kāi)通,那么內(nèi)管VT3關(guān)斷,考慮到死區(qū)時(shí)間,電路工作狀態(tài)由(0100)轉(zhuǎn)換至S1(1100)。負(fù)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(guò)程中產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電流,這個(gè)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(shí)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(yán)重時(shí)會(huì)造成主開(kāi)關(guān)管VT1過(guò)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(fù)載電流將由外管VT1換流至鉗位二極管 VDcl1,VDcl1由反向截止?fàn)顟B(tài)向正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換。同樣,由于在二極管正向恢復(fù)過(guò)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(huì)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(duì)主開(kāi)關(guān)管的影響,本文假定雜散電感較小,且在實(shí)驗(yàn)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(duì)主開(kāi)關(guān)管構(gòu)成了危險(xiǎn),因此應(yīng)該確保其足夠小,以保證開(kāi)關(guān)管電壓尖峰處于安全工作區(qū)內(nèi)。
假定電路初狀態(tài)為(0010),此時(shí)負(fù)載電流iload流過(guò)VT3、VT4的反并聯(lián)二極管VD3、VD4。由于此時(shí)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(wú)電流流過(guò)。當(dāng)電路狀態(tài)由(0010)轉(zhuǎn)換至S0(0110)時(shí),內(nèi)管VT2開(kāi)通,負(fù)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(guò)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(shí)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(kāi)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(fù)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(shí)由于反向恢復(fù)電流產(chǎn)生,加上線路中的雜散電感,會(huì)產(chǎn)生反向電壓尖峰。VD3、VD4由反偏狀態(tài)進(jìn)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(guò)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(kāi)關(guān)過(guò)程具有比外管“較長(zhǎng)”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(jì)過(guò)程中,尤其要注意確保內(nèi)管工作在安全區(qū)內(nèi)。
為了驗(yàn)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(duì)象。利用Saber中的“Scanned Data Utility”工具將數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的I-V特性曲線在數(shù)據(jù)掃描工具中畫(huà)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(cè)中的I-V曲線基本是擬合的。對(duì)于反向恢復(fù)特性,需要通過(guò)手動(dòng)的方法修改參數(shù)使其擬合數(shù)據(jù)手冊(cè)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(guò)程主要是由于注入載流子過(guò)渡時(shí)間和電導(dǎo)調(diào)制造成的,但有一個(gè)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(gè)電感和帶反向恢復(fù)特性的二極管“封裝”為一個(gè)具有正向和反向恢復(fù)特性的二極管功能模型。為了驗(yàn)證所建模型的非理想特性,采用基本的 Buck電路對(duì)所建二極管模型進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試,測(cè)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(shí)驗(yàn)中受線路雜散參數(shù)等的影響,使得實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(fù)載電感 Lload=200μH。根據(jù)三電平電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程,采用如圖7所示的驅(qū)動(dòng)控制脈沖。仿真時(shí)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(duì)三電平電路主開(kāi)關(guān)管的影響。
圖7 驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)送方式Fig.7 The mode of the driver pulses
圖 8a中,t1、t2時(shí)刻分別對(duì)應(yīng)內(nèi)管開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)刻,在這兩個(gè)狀態(tài)變換過(guò)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(kāi)通時(shí)出現(xiàn)電流尖峰,這個(gè)尖峰同時(shí)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(kāi)關(guān)管電壓、電流波形與前面分析是完全一致的。同時(shí)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(kāi)關(guān)管的電應(yīng)力,也增加了開(kāi)關(guān)損耗,對(duì)開(kāi)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
實(shí)驗(yàn)電路采用如圖4所示電路,外管、內(nèi)管采用Infineon公司型號(hào)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(jì)的層疊復(fù)合母排作為各開(kāi)關(guān)管的連接線。三電平電路采用純電容吸收以防止開(kāi)關(guān)管過(guò)電壓,驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)送方式如圖 7所示,直流母線電壓 Ud=1800V。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物照片如圖9所示。
圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物照片F(xiàn)ig.9 The photograph of the test prototype
由于整個(gè)電路的連接是由層疊母排完成的,因此對(duì)于鉗位二極管的反向恢復(fù)電流及正向電流無(wú)法直接測(cè)得,采用間接方法,測(cè)試如圖4所示的兩個(gè)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(dòng)作為“互補(bǔ)”關(guān)系,即當(dāng)外管VT1開(kāi)通時(shí),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(kāi)通電流上,而外管的初始開(kāi)通電流等于鉗位二極管的正向?qū)娏?。為了更好地?duì)比分析二極管非理想特性對(duì)NPC三電平電路的影響程度,分別進(jìn)行了最大負(fù)載電流為1100A和1500A的兩次實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)波形如圖10和圖11所示。
圖10 負(fù)載電流最大為1100A時(shí)實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 The experimental waveforms when iload=1100A
圖11 負(fù)載電流最大為1500A時(shí)實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 The experimental waveforms when iload=1500A
根據(jù)實(shí)驗(yàn)波形列出兩次實(shí)驗(yàn)的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,分別見(jiàn)表2和表3。
表2 負(fù)載電流為1100A時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The experimental data when iload=1100A
表3 負(fù)載電流為1500A時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 The experimental data when iload=1500A
由實(shí)驗(yàn)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(fù)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(kāi)關(guān)管的工作應(yīng)力。由于換流回路的雜散電感足夠小,對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知由雜散電感引起的電壓尖峰相對(duì)較小,而開(kāi)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(diǎn)與仿真結(jié)果是一致的。
為了減小二極管非理想特性對(duì)主開(kāi)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(xiàn)[12]采用飽和開(kāi)通電感以減小二極管反向恢復(fù)電流、開(kāi)通損耗及EMI。文獻(xiàn)[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(duì)主開(kāi)關(guān)管的影響。但是由于開(kāi)通電感在復(fù)位后要釋放所存儲(chǔ)的能量,尤其在高頻情況下會(huì)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(shí)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(jì)者盡量選取具有軟恢復(fù)特性的快恢復(fù)二極管,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定具體電路極限情況下二極管非理想特性對(duì)電路的影響程度。
本文詳細(xì)分析了 NPC三電平電路不同工作狀態(tài)下內(nèi)、外管的開(kāi)關(guān)過(guò)程,研究了二極管非理想特性對(duì)整個(gè)電路以及主開(kāi)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(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了二極管建模和理論分析的正確性。因此,通過(guò)研究得出以下結(jié)論:
(1)大功率應(yīng)用場(chǎng)合,二極管的非理想特性對(duì)電路性能和主開(kāi)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?yàn)閮?nèi)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中參與動(dòng)作的器件數(shù)量較多,換流回路較長(zhǎng)。
(3)非理想特性是功率二極管固有特性,需要電路設(shè)計(jì)者通過(guò)試驗(yàn)對(duì)所選二極管進(jìn)行必要的測(cè)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(duì)于電路的定量分析與設(shè)計(jì)以及開(kāi)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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