Problematyka modelowania w programie SPICE charakterystyk stałoprądowych elektroizolowanych diodowych modułów mocy zawierających diody typu PiN oraz diody typu FRED

fot. Semikron

W półprzewodnikowych elementach elektronicznych, znajdujących zastosowanie w energoelektronice, coraz częściej stosowane są podłoża elektroizolowane. Charakterystyczną właściwością tych elementów jest izolacja wszystkich wyprowadzeń, a zatem także wewnętrznej struktury półprzewodnikowej, od podstawy odprowadzającej ciepło z obudowy.

Wśród rozwiązań technicznych pozwalających uzyskać podłoża elektroizolowane należy wymienić technologię DCB (Direct Copper Bonding) oraz technologię DAB (Direct Aluminum Bonding) [1, 2]. Podłoża tego typu bazują przede wszystkim na ceramice Al2O3 lub AlN. Ceramiczne płytki podłożowe typu DCB metalizowane są miedzią, natomiast w przypadku podłoży typu DAB jako metal wykorzystywane jest aluminium.

Materiały na podłoża elektroizolowane dobierane są między innymi pod kątem współczynnika rozszerzalności cieplnej tak, aby jego wartość była zbliżona do wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej struktury półprzewodnikowej osadzanej na takim podłożu. Elementy elektroizolowane często są określane mianem modułów lub bloków. Obecnie tego typu elementy mogą zawierać w obudowie pojedyncze przyrządy mocy (np. diody, tranzystory MOSFET, tranzystory IGBT, tyrystory) lub kilka przyrządów (tego samego typu lub różnych) połączonych wewnętrznie w różnych konfiguracjach. Wytwarzane są również specjalizowane cyfrowe moduły elektroizolowane, zawierające w jednej obudowie także przyrządy mocy, określane mianem IPM (Intelligent Power Modules) lub SPM (Smart Power Modules) dedykowane w szczególności do przekształtników energii elektrycznej [3].

Podczas projektowania układów elektronicznych lub energoelektronicznych przy wykorzystaniu komputerowych programów symulacyjnych, np. programu SPICE, istotne jest, aby dysponować wiarygodnymi modelami użytych elementów. Szczególnie w przypadku programu SPICE wystarczające jest dysponowanie wartościami parametrów modeli elementów wbudowanych w ten program. Niestety producenci modułów elektroizolowanych z reguły nie udostępniają modeli wytwarzanych modułów, ani nie podają wartości parametrów modeli elementów półprzewodnikowych dla istniejących programów symulacyjnych. Należy zaznaczyć, iż jednymi z najczęściej spotykanych i najmniej rozbudowanych modułów elektroizolowanych są moduły zawierające diody półprzewodnikowe.

Z przeglądu rynkowej oferty tego typu modułów dokonanego przez autorów wynika, iż moduły takie zawierają zazwyczaj klasyczne diody o strukturze typu PiN lub szybkie przełączające diody PiN, określane mianem diod FRED (Fast Recovery Epitaxial Diodes) [4]. Modelowanie tego typu struktur półprzewodnikowych powinno być możliwe w programie SPICE, który posiada wbudowany model diody, dedykowany do modelowania zarówno diod typu PiN, jak i diod ze złączem metal-półprzewodnik. Opis modelu diody z programu SPICE jest przedstawiony m.in. w [5, 6]. Należy zaznaczyć, iż jest to izotermiczny model diody krzemowej, a zatem nie pozwala on na analizę diod wykonanych z innych materiałów półprzewodnikowych, ani na analizę elektrotermiczną.

W pracy poruszono problem modelowania w programie SPICE statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych wybranych krzemowych elektroizolowanych diodowych modułów mocy. Do badań wybrano moduł niskoprądowy zawierający diody typu PiN – SKKD 15/12 (I_FRMS = 24 A, producent firma Semikron) oraz moduł wysokoprądowy zawierający diody typu FRED – DSEI 2 × 161-12P (I_FRMS = 270 A, producent firma Ixys). Przeprowadzone badania pozwoliły ocenić wpływ wybranych parametrów modelu diody wbudowanego w program SPICE na charakterystyki rozważanych przyrządów mocy.

Wyniki badań

Obliczenia statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych i(u) diodowych modułów elektroizolowanych SKKD 15/12 oraz DSEI 2x161-12P w programie SPICE wykonano dla szerokiego zakresu zmian wartości temperatury otoczenia Ta, od 23 do 178°C. Na rysunkach przedstawionych w pracy wyniki pomiarów oznaczono punktami, natomiast wyniki symulacji uzyskane w programie SPICE – liniami ciągłymi. Wartości parametrów modelu diody wbudowanego w program SPICE, dla poszczególnych modułów elektroizolowanych, wykorzystane podczas symulacji uzyskano bazując na wynikach pomiarów charakterystyk diod zawartych w badanym module lub danych katalogowych.

W tabeli 1 zebrano wartości parametrów modelu diody dla modułu SKKD 15/12. W przypadku parametrów oznaczonych gwiazdką pozostawiono domyślne wartości parametrów tego modelu.

Tab. 1. Wartości parametrów modelu diody dla modułu SKKD 15/12

Na rysunku 1 przedstawiono charakterystyki i_F(u_F) diody z modułu SKKD 15/12 spolaryzowanej w kierunku przewodzenia. Z kolei na rys. 2 zamieszczono charakterystyki i_R(u_R) tej diody spolaryzowanej w kierunku zaporowym. Jak widać na obu rysunkach, wartości parametrów z tabeli 1 pozwalają uzyskać dobrą zgodność wyników pomiarów oraz obliczeń komputerowych.

Rys. 1. Charakterystyki statyczne diody z modułu SKK D 15/12 spolaryzowanej w kierunku przewodzenia

Rys. 2. Charakterystyki statyczne diody z modułu SKK D 15/12 spolaryzowanej zaporowo

Jak wynika z przedstawionych na rys. 1 i 2 wyników pomiarów i symulacji, model diody wbudowany w program SPICE pozwala poprawnie obliczyć charakterystyki diody PiN mocy zawartej w rozważanym niskoprądowym module elektroizolowanym, zarówno pod katem jakościowym, jak i ilościowym. Dla modułu SKKD 15/12 do zamodelowania charakterystyk uzyskanych w szerokim zakresie zmian temperatury otoczenia, dla różnych kierunków polaryzacji, wystarczający jest jeden zestaw wartości parametrów. Oznacza to, iż do opisu charakteru zjawisk zachodzących w klasycznej strukturze półprzewodnikowej typu PiN, model diody wbudowany w programie SPICE jest wystarczający.

Z kolei, w przypadku modułu wysokoprądowego DSEI 2x161-12P zawierającego diody FRED jeden zestaw wartości parametrów modelu diody jest niewystarczający, aby poprawnie zamodelować kształt charakterystyk. W tabeli 2 przedstawiono wartości parametrów modelu diody dla rozważanego modułu.

Podobnie jak dla modułu SKKD 15/12 parametry modelu o wartościach domyślnych oznaczono gwiazdką, i jak widać w tabeli są to te same parametry co w przypadku diody PiN, z wyjątkiem parametru VJ. Przeprowadzone symulacje wykazały, iż w przypadku diody FRED, w odróżnieniu od diody PiN, dla różnych temperatur oraz różnych polaryzacji wymagane są inne zestawy wartości parametrów modelu diody. W szczególności na kształt charakterystyk silnie wpływają parametry N, NR oraz VJ. Należy podkreślić, że zmienność wymienionych dwóch pierwszych parametrów nie jest uwzględniona w zależnościach analitycznych opisujących model diody w programie SPICE.

Analizując wartości parametrów modelu diody dla diody FRED należy ponadto zwrócić uwagę na wartości prądów IS i ISR, które w porównaniu do wartości tych parametrów dla klasycznej diody PiN są aż o trzy rzędy wielkości większe. W szczególności, duża wartość prądu ISR, który reprezentuje prąd rekombinacyjno-generacyjny, wpływa nie tylko na wartość prądu wstecznego diody, ale również na wartość prądu przewodzenia diody.

Tab. 2. Wartości parametrów modelu diody dla modułu DSEI 2x161-12P