孟庆云 马伟明 孙 驰 揭贵生

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室 武汉 430033）

1 引言

作为功率器件的重要组成部分，功率二极管的应用与研究越来越广泛。随着电压、电流、功率等级的不断提高，大功率装置中二极管的非理想工作特性表现得尤其突出[1]。这种非理想特性主要表现为正向恢复电压与反向恢复电流。当二极管作为吸收二极管、续流二极管以及钳位二极管应用时，其瞬态特性受外围电路及可控器件（如IGBT或IGCT）开关特性的影响，同时反过来又对电路的工作性能、可控器件的电应力以及EMI/EMC等产生很大影响。

NPC三电平电路作为高压大容量逆变器优选电路，在工业生产、机车牵引及多相电动机驱动等场合被广泛采用。由于钳位二极管的存在，三电平电路在电路结构和控制上与两电平电路具有较大差异，其不同工作状态下具有不同的换流回路。同时，三电平电路还包含多种功能的二极管，如钳位、续流、吸收二极管。文献[2]以IGCT中点钳位三电平电路中的二极管为研究对象，建立了二极管模型，但并没有具体分析二极管特性对电路及 IGCT的影响情况。因此建立能够描述非理想特性的二极管模型，研究其对NPC三电平电路及开关器件的影响，对于进一步理解 NPC三电平逆变电路工作机理和提高开关器件应用可靠性具有重要的工程指导意义。

为了更加精确地描述二极管瞬态行为，20世纪90年代很多文献对二极管模型进行了大量研究。基于半导体物理方程，文献[3]中 Lauritzen利用集总电荷的方法描述了二极管反向恢复电流指数衰减特性。文献[4]建立了二极管PN结小信号SPICE模型，文献[5-7]利用Saber软件中MAST语言建立了具有正向和反向恢复特性的简化物理模型。文献[8-9]从二极管应用的角度出发，进一步研究了二极管的正向恢复特性，分析了不同电路参数对二极管正向恢复电压的影响程度。以上这些模型的建立与研究对于理解二极管工作特性有很大帮助，但是现有的仿真软件，如 MaLab、Saber中，同时具有正向与反向恢复特性的二极管模型还不存在。另外基于半导体物理方程建立的二极管模型，在复杂的三电平电路中仿真时往往造成不收敛性。因此有必要建立具有正向与反向恢复特性、且易于实现的二极管模型，以正确分析三电平电路的工作特性。

本文在分析二极管非理想特性的产生机理的基础上，研究了功率二极管在NPC三电平电路中不同工作状态下的瞬态行为及其对三电平电路主开关工作性能的影响。然后利用 Saber仿真软件二极管建模工具，建立了具有反向恢复特性的二极管模型，结合正向恢复特性的“电感效应”，建立了具有正向恢复电压和反向恢复电流的二极管功能模型，并通过仿真验证了模型对于定量分析三电平电路的工作性能是可行性。最后，以大功率NPC三电平IGBT逆变器为研究对象，通过实验进一步证明了理论分析与仿真模型的正确性。

2 功率二极管非理想特性产生机理

应用在电力电子装置中的两种二极管主要形式为肖特基二极管和 pin二极管[11]。肖特基二极管通常应用于低压小功率范围，而在大功率场合应用的功率二极管模块为 pin型。由于器件构造与制作工艺的差异，相对肖特基二极管来说，其工作特性表现出较强的“非理想性”，即正向恢复电压和反向恢复电流。本文主要以 pin二极管为研究对象。

2.1 正向恢复特性

当对于一个处于反偏或非反偏下的 pin结二极管施加一个正向电流脉冲时，这个电流并不能立即通过二极管，因为从 p+到 n+的电荷载流子的注入需要花一个有限的时间，以在二极管的高阻部分建立一个电荷梯度，而此时在 i区的电导调制还没有发生。因此，二极管的两端会出现一个瞬时峰值电压VFR，这个电压即为正向恢复电压，如图1所示。随着越来越多的载流子注入，基区电阻率下降，从而二极管两端电压随着时间降低，最终达到稳态值[3]。可以发现，二极管正向恢复电压外特性表现为“电感效应”。对于一个给定的二极管，VFR随着换流回路电流变化率 di/dt及器件结温 Tj的增加而增加。二极管在低的di/dt情况下，由于i区电导调制的作用使得VFR值较小，而当di/dt增加到某一特定值时，VFR值将达到饱和[8]。图2是英飞凌公司某高功率二极管模块正向恢复电压随 di/dt以及结温Tj的变化曲线图。

图1 二极管正向恢复特性Fig.1 The forward recovery characteristic

图2 英飞凌公司某型号二极管模块正向恢复特性Fig.2 The forward recovery characteristic of the diode module from Infineon company

2.2 反向恢复特性

当一个二极管正处于正向导通时，大量电荷被注入到二极管的高阻区。当施加一个反向电压时，电荷的抽取导致反向恢复现象发生，这个现象在二极管从正向导通到反偏时的任何情况下都会发生。当正向电流IF减小到零后，会出现一个最大值为IRM的反向恢复电流流过二极管，这个电流主要是由所存储的电荷维持。直到电荷的反向抽取过程完成及二极管内部电荷载流子复合移除了大部分存储电荷后，二极管才恢复其反向阻断能力[1]。反向恢复电荷Qrr及反向恢复电流IRM由下式表示[10]

式中，T为软化因子，T=tf/ts；tso、k1、k2是二极管关断模型的优化参数。因此，影响反向恢复电流的主要因素有给定的正向电流 IF、正电流的下降率di/dt，反向恢复电流随着这些因素的增加而增大。另外，由于线路杂散电感的存在，在反向恢复过程中会产生反向恢复电压尖峰，这个尖峰大小与di/dt和线路杂散电感有关。

图3 二极管反向恢复特性Fig.3 The reverse recovery characteristic

3 NPC三电平电路不同工作状态分析

NPC三电平电路（见图4）工作时有三个工作状态S1、S0、S-1，在状态转换过程中要考虑死区时间，因此有表1所示的开关状态。

表1 NPC三电平电路的开关状态Tab.1 Swithing state of three-level inverter

图4 NPC三电平电路Fig.4 The NPC three-level circuit

根据三电平电路结构特点，本文定义VT1、VT4为外管，VT2、VT3为内管。由于在控制与电路结构上的对称性，只对外管VT1、内管VT2的开关过程进行分析即可。

3.1 外管VT1开关过程

外管VT1开通，那么内管VT3关断，考虑到死区时间，电路工作状态由（0100）转换至S1（1100）。负载电流将由钳位二极管 VDcl1换流至外管 VT1，VDcl1由正向导通状态向反向截止转换，逐渐承受反压。由于二极管的非理想特性，在反向恢复过程中产生较大的反向恢复电流，这个电流将叠加在外管VT1上，从而增加 VT1电流承载应力。随着换向时刻二极管正向电流值和电流换向速率di/dt的增加，二极管反向恢复电流值将随之增大，严重时会造成主开关管VT1过流而损坏。

外管 VT1关断，电路工作状态由 S1（1100）转换至（0100）。负载电流将由外管VT1换流至钳位二极管 VDcl1，VDcl1由反向截止状态向正向导通转换。同样，由于在二极管正向恢复过程中产生较高的正向恢复电压，加上在换流回路中不可避免地存在杂散电感，那么外管 VT1的关断尖峰电压为

式中 Ud——直流母线电压；

VLs1—换流回路杂散电感电压，VLs1=Ls1·diLs1/dt；

Vfrdcl1——钳位二极管 VDcl1正向恢复电压尖峰。

由式（2）可知，外管VT1电压尖峰取决于回路杂散电感、电流变化率 di/dt以及 VDcl1正向恢复电压Vfrdcl1。而Vfrdcl1又是 di/dt的函数，即随着di/dt的增加，Vfrdcl1将增大。另外，回路电流变化率di/dt会因杂散电感的增大而减小，反之亦然。由以上分析可知，影响外管电压尖峰的因素是相互依存的。为了便于分析二极管正向恢复电压对主开关管的影响，本文假定杂散电感较小，且在实验中采用层叠母排作为模块间的连线。总之，较大的正向恢复电压对主开关管构成了危险，因此应该确保其足够小，以保证开关管电压尖峰处于安全工作区内。

3.2 内管VT2开关过程

假定电路初状态为（0010），此时负载电流iload流过VT3、VT4的反并联二极管VD3、VD4。由于此时母线电压分别加在了 VT1、VT2上，钳位二极管VDcl1处于“非反偏”状态，但无电流流过。当电路状态由（0010）转换至S0（0110）时，内管VT2开通，负载电流由VD3、VD4换流至VDcl1、VT2。钳位二极管 VDcl1发生正向恢复过程，出现的正向恢复电压将叠加在外管 VT1上。同理，VD3、VD4换流时的反向恢复电流将叠加在VDcl1和内管VT2上，从而使 VDcl1和 VT2承受比 VT1较大开通电流，加大了钳位二极管与内管的电流应力。

内管VT2关断，电路工作状态由S0（0110）转换至（0010）。负载电流将由 VT2管换流至 VD3、VD4，钳位二极管由正向导通向“非反偏”状态转换，此时由于反向恢复电流产生，加上线路中的杂散电感，会产生反向电压尖峰。VD3、VD4由反偏状态进入正向导通状态，从而产生较大的正向恢复电压。与VT1关断过程分析相同，那么VT2的关断电压尖峰为

式中 VLs2—换流回路杂散电感电压，VLs2= Ls2·diLs2/dt；

Vfrd3——二极管VD3正向恢复电压尖峰；

Vfrd4——二极管VD4正向恢复电压尖峰；

Vdr——钳位二极管VDcl1反向恢复电压尖峰。

由上可以看出，由于内管开关过程具有比外管“较长”的换流路径，使得内管往往承受比外管更大的电压、电流应力，因此在三电平电路设计过程中，尤其要注意确保内管工作在安全区内。

4 仿真验证

为了验证前面分析的正确性，利用仿真软件Saber中的二极管建模工具“Diode Characterization Tool”建立了具有反向恢复特性的二极管模型，如图5所示，Rs与VD主要影响二极管的I-V特性，Qrr主要决定反向恢复特性。本文以英飞凌的二极管模块DD1200S33K2C为研究对象。利用Saber中的“Scanned Data Utility”工具将数据手册中给出的I-V特性曲线在数据扫描工具中画出，再利用模型优化“Optimizer Utility”工具找出一组优化参数，使二极管模型的 I-V曲线与模块数据手册中的I-V曲线基本是拟合的。对于反向恢复特性，需要通过手动的方法修改参数使其拟合数据手册给出特定条件下的反向恢复电流值。

图5 Saber中的二极管建模工具Fig.5 Diode model tools in Saber

二极管正向恢复过程主要是由于注入载流子过渡时间和电导调制造成的，但有一个次要因素是引线、硅晶元及封装铁磁体材料等的杂散电感。因此，正向恢复特性具有 “电感效应”。将一个电感和带反向恢复特性的二极管“封装”为一个具有正向和反向恢复特性的二极管功能模型。为了验证所建模型的非理想特性，采用基本的 Buck电路对所建二极管模型进行了仿真与实验测试，测试结果如图 6所示。可以看出，所建二极管模型有效地模拟了二极管的非理想特性。由于实验中受线路杂散参数等的影响，使得实验结果与仿真结果在数值上存在一些差别，但是这些差别对于二极管模型在电路中的应用并不影响。

图6 二极管仿真与实验结果Fig.6 The diode result of simulation and experiment

采用如图4所示的三电平电路，钳位二极管以及 IGBT反并联二极管均采用所建二极管模型。取直流母线电压 Ud=4000V，负载电感 Lload=200µH。根据三电平电路状态转换过程，采用如图7所示的驱动控制脉冲。仿真时假定换流回路的杂散电感比较小，以便清晰地分析二极管非理想特性对三电平电路主开关管的影响。

图7 驱动脉冲发送方式Fig.7 The mode of the driver pulses

图 8a中，t1、t2时刻分别对应内管开通与关断时刻，在这两个状态变换过程中，分别造成了钳位二极管产生正向恢复电压尖峰和由反向恢复引起的反向电压尖峰。从图8b中可以看出，VD3、VD4的反向恢复特性使钳位二极管 VDcl1开通时出现电流尖峰，这个尖峰同时也叠加在了内管上。因此，分析仿真结果可以发现，各开关管电压、电流波形与前面分析是完全一致的。同时得出结论，在换流回路线路杂散电感较小的情况下，外管电压尖峰主要由钳位二极管的正向恢复电压产生。内管电压尖峰主要由钳位二极管、续流二极管 VD3、VD4的正向恢复电压产生。另外钳位二极管的反向恢复电流叠加在外管上，续流二极管 VD3、VD4的反向恢复电流叠加在内管上。二极管的这种非理想特性不仅增加了开关管的电应力，也增加了开关损耗，对开关管的可靠使用产生很大影响。

图8 仿真结果Fig.8 The results of simulation

5 实验结果及分析

实验电路采用如图4所示电路，外管、内管采用Infineon公司型号为FZ1500R33HL3的IGBT模块（1500A/3300V），DD1200S33K2C二极管模块（1200A/3300V）作为钳位二极管VDcl1、VDcl2；为了减小换流回路的杂散电感，采用精心设计的层叠复合母排作为各开关管的连接线。三电平电路采用纯电容吸收以防止开关管过电压，驱动脉冲发送方式如图 7所示，直流母线电压 Ud=1800V。实验平台实物照片如图9所示。

图9 实验平台实物照片Fig.9 The photograph of the test prototype

由于整个电路的连接是由层叠母排完成的，因此对于钳位二极管的反向恢复电流及正向电流无法直接测得，采用间接方法，测试如图4所示的两个电流，分别为 iLs1、iCsnu1。那么有外管 VT1的电流为

根据三电平电路的工作原理，外管VT1与钳位二极管动作为“互补”关系，即当外管VT1开通时，钳位二极管 VDcl1的电流将换流至外管 VT1，所产生的反向恢复电流将叠加到外管的初始开通电流上，而外管的初始开通电流等于钳位二极管的正向导通电流。为了更好地对比分析二极管非理想特性对NPC三电平电路的影响程度，分别进行了最大负载电流为1100A和1500A的两次实验，实验波形如图10和图11所示。

图10 负载电流最大为1100A时实验波形Fig.10 The experimental waveforms when iload=1100A

图11 负载电流最大为1500A时实验波形Fig.11 The experimental waveforms when iload=1500A

根据实验波形列出两次实验的主要数据进行对比，分别见表2和表3。

表2 负载电流为1100A时的实验数据Tab.2 The experimental data when iload=1100A

表3 负载电流为1500A时的实验数据Tab.3 The experimental data when iload=1500A

由实验结果可以发现，NPC三电平电路中的VT1、VT2受二极管的非理想特性影响较大。随着负载电流的增加，较大的反向恢复电流和正向恢复电压增加了主开关管的工作应力。由于换流回路的杂散电感足够小，对比两次实验结果可知由杂散电感引起的电压尖峰相对较小，而开关管的电压尖峰主要是由二极管的正向恢复特性产生，这一点与仿真结果是一致的。

为了减小二极管非理想特性对主开关器件的影响，可以采用外围吸收电路改变回路的换流速度，如文献[12]采用饱和开通电感以减小二极管反向恢复电流、开通损耗及EMI。文献[13]中将 Undeland吸收电路应用于多电平逆变器中减小了钳位二极管与外管之间的电流变化率di/dt，在一定程度上减小了二极管非理想特性对主开关管的影响。但是由于开通电感在复位后要释放所存储的能量，尤其在高频情况下会增加系统损耗，降低系统效率。二极管非理想特性是其本身固有的特性，特别是在高功率时表现得尤为突出。器件厂家不可能给出各种电路条件下的正向恢复电压值和反向恢复电流值，因此需要电路设计者尽量选取具有软恢复特性的快恢复二极管，并通过实验确定具体电路极限情况下二极管非理想特性对电路的影响程度。

6 结论

本文详细分析了 NPC三电平电路不同工作状态下内、外管的开关过程，研究了二极管非理想特性对整个电路以及主开关的影响程度，建立了具有正向恢复电压与反向恢复电流的二极管功能模型，通过仿真和实验验证了二极管建模和理论分析的正确性。因此，通过研究得出以下结论：

（1）大功率应用场合，二极管的非理想特性对电路性能和主开关电（电压、电流）应力影响较大。

（2）NPC三电平电路中，内管往往比外管承受更大的电应力，因为内管开关过程中参与动作的器件数量较多，换流回路较长。

（3）非理想特性是功率二极管固有特性，需要电路设计者通过试验对所选二极管进行必要的测试，以掌握其工作特性，尤其是非理想特性。

（4）建立较为精确的二极管模型，充分掌握二极管工作特性，对于电路的定量分析与设计以及开关器件的可靠应用可以起到一定的工程指导作用。

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