Na rysunku 5 w skali logarytmiczno-liniowej porównano obliczone charakterystyki rozważanej diody FRED uzyskane dla wartości parametrów z zestawu A z tabeli 2 (linie cienkie) z charakterystykami pomierzonymi (punkty). Jak widać, użycie tylko zestawu A dla szerokiego zakresu zmian wartości temperatury prowadzi do całkowicie błędnych obliczeń charakterystyk diody.

Rozważając zmierzone charakterystyki z rys. 5 należy zauważyć, iż w przypadku diody FRED nachylenie charakterystyk dla prądów mniejszych od 1 A jest zmienne, w szczególności dla mniejszych wartości temperatury otoczenia. Ponieważ nachylenie charakterystyk i_F(u_F) reprezentuje m.in. liniowe rezystancje doprowadzeń oraz nieliniową rezystancję bazy diody, należy wnioskować, iż w przypadku rozważanej diody dochodzi do szczególnie silnej modulacji konduktywności jej bazy przy wysokim poziomie wstrzykiwania nośników mniejszościowych.

Parametrem modelu diody wbudowanego w program SPICE, który pozwala uwzględnić w diodach mocy zjawisko modulacji konduktywności bazy jest prąd IKF. W przypadku silnego oddziaływania prądu rekombinacyjnego na charakterystyki w kierunku przewodzenia, jak wynika z przeprowadzonych symulacji, dodatkowym parametrem umożliwiającym korekcję tych charakterystyk  jest także parametr VJ, reprezentujący potencjał wbudowany złącza. Jak wynika z porównania wartości tego parametru w tabelach 1 i 2, dla diody FRED przyjmuje on mniejszą wartość. Należy jednak pamiętać, iż parametr VJ wpływa także na właściwości dynamiczne diody, a więc kosztem poprawnego zamodelowania charakterystyk stałoprądowych może być błędny wynik obliczeń elektrycznych stanów przejściowych, np. podczas przełączania diody.

Potwierdzeniem silnego wpływu zjawiska modulacji konduktywności bazy diody na charakterystyki diody FRED, zależnym również od temperatury, są nieliniowe charakterystyki termometryczne. Nieliniowość tych charakterystyk skutkuje w efekcie zmienną wartością temperaturowego współczynnika zmian napięcia przewodzenia wyznaczanego z nachylenia charakterystyk termometrycznych. Przykładowo, w niższych temperaturach otoczenia T_a (23 do 100°C), dla prądu i_F = 1 mA, współczynnik ten przyjmuje wartość około -4,5 mV/°C, natomiast w wyższej temperaturze T_a (> 100°C) przyjmuje on wartości mniejsze od - 1,5 mV/°C. Natomiast w diodach PiN z modułu SKKD 15/12, wartość rozważanego współczynnika dla prądu i_F = 1 mA przyjmuje stałą wartość równą około -2,1 mV/°C w całym rozpatrywanym podczas badań zakresie temperatury.

Uwagi końcowe

W artykule poruszono problem modelowania statycznych charakterystyk prądowo-napięciowych elektroizolowanych diodowych modułów mocy w programie SPICE, z wykorzystaniem wbudowanego w ten program modelu diody półprzewodnikowej. Jak wykazały wstępne badania, analizowany model poprawnie modeluje charakterystyki klasycznych diod PiN umieszczanych w modułach. Natomiast w przypadku modułów zawierających szybkie diody typu FRED, rozważany w pracy model jest mniej dokładny i nie umożliwia zamodelowania charakterystyk w szerokim zakresie zmian temperatury dla jednego zestawu wartości parametrów modelu.

W celu poprawy dokładności i uniwersalności modelu diody z programu SPICE niezbędna jest jego modyfikacja. Celowe są także dalsze badania właściwości innych typów diod FRED, w tym również właściwości dynamicznych.

Autorzy: dr inż. Jacek Dąbrowski, prof. dr hab. inż. Janusz Zarębski, Akademia Morska w Gdyni, Katedra Elektroniki Morskiej

Literatura:

[1] Hopkins D.C., Bhavnani S.H., Dala K.H.: Thermal Performance Comparison and Metallurgy of Direct Copper Bonded AlN, Al2O3 and BeO Assemblies. ISHM 1992, pp. 577–583.

[2] L indemann A., Strauch G.: Properties of Direct Aluminum Bonded Substrates for Power Semiconductor Components. IEEE Transactions On Power Electronics, vol. 22, no. 2, March 2007, pp. 384–391.

[3] Majumdar G.: Power Module Technology for Home Power. 2010 International Power Electronics Conference, pp. 773-777.

[4] Wolley E.D., Van Dell, W.R.: Fast recovery epitaxial diodes (FRED’s). Industry Applications Society Annual Meeting, 1988, vol. 1, pp. 655–663.

[5] Wilamowski M.B., Jaeger R.C.: Computerized Circuit Analysis Using SPICE Programs. McGraw-Hill Book Company, 1997.

[6] Zarębski J., Dąbrowski J., Bisewski D.: Analiza wpływu temperatury na właściwości impulsowe diod Schottky’ego mocy. Elektronika, nr 2, 2007, ss. 18–20.