CN110084001B - 一种肖特基二极管的模型参数标定方法 - Google Patents

一种肖特基二极管的模型参数标定方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种肖特基二极管的模型参数标定方法，包括：获取肖特基二极管的正向电流‑电压特性的测试曲线；确定预设肖特基二极管模型中的核心参数的标定值以及辅助参数的经验初值；核心参数为影响正向电流‑电压特性的变化趋势的模型参数，辅助参数为影响正向电流‑电压特性的变化精度的模型参数；调整获取辅助参数的调节值；将核心参数的标定值以及辅助参数的调节值代入预设肖特基二极管模型；获取正向电流‑电压特性的仿真曲线；判断仿真曲线与测试曲线的拟合误差是否小于预设阈值；若是，则将辅助参数的调节值确定为辅助参数的标定值；若否，则继续执行调整获取辅助参数的调节值的步骤。本申请简单易行，技术门槛较低，便于使用。

Description

一种肖特基二极管的模型参数标定方法
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种肖特基二极管的模型参数标定方法。
背景技术
肖特基二极管，特别是碳化硅（SiC）肖特基二极管，是电力电子系统中的常用功率器件。碳化硅肖特基二极管具有开关速度快、反向电压值大、耐受温度高等优点，在市场应用中占据重要地位，因此相关电路设计人员经常需要利用肖特基二极管模型对需要使用肖特基二极管的相关应用电路进行设计或者改进。然而，现有技术中关于肖特基二极管的模型参数标定过程普遍过于复杂，对于不具有器件工艺知识的一般电路设计人员而言，模型参数标定的技术门槛较高，不便于使用。鉴于此，提供一种解决上述技术问题的方法是本领域技术人员所亟待关注的。
发明内容
本申请的目的在于提供一种方便简单、技术门槛较低的肖特基二极管的模型参数标定方法。
为解决上述技术问题，本申请公开了一种肖特基二极管的模型参数标定方法，包括：
获取所述肖特基二极管的正向电流-电压特性的测试曲线；
确定预设肖特基二极管模型中的核心参数的标定值以及辅助参数的经验初值；所述核心参数为影响正向电流-电压特性的变化趋势的模型参数，包括感性核心参数、阻性核心参数、电流源核心参数和容性核心参数；所述感性核心参数的标定值基于所述肖特基二极管的产品手册而确定或者基于经验计算公式而确定；所述阻性核心参数和所述电流源核心参数的标定值均基于所述测试曲线而确定；所述容性核心参数的标定值通过对所述肖特基二极管进行测试而确定；所述辅助参数为影响正向电流-电压特性的变化精度的模型参数；
调整获取所述辅助参数的调节值；
将所述核心参数的标定值以及所述辅助参数的调节值代入所述预设肖特基二极管模型；
获取所述预设肖特基二极管模型的正向电流-电压特性的仿真曲线；
判断所述仿真曲线与所述测试曲线的拟合误差是否小于预设阈值；
若是，则将所述辅助参数的调节值确定为所述辅助参数的标定值；
若否，则继续执行所述调整获取所述辅助参数的调节值的步骤。
可选地，所述预设肖特基二极管模型包括依次串联的寄生电感、电流源和等效总电阻，以及并联在所述电流源两端的结电容。
可选地，所述电流源的电流为；其中，为饱和电流；q为电子电荷；V为所述肖特基二极管的两端电压；n为理想因子；k为玻尔兹曼常数；K为绝对温度。
可选地，所述等效总电阻的阻值为：；其中，为常温等效电阻值；T为摄氏温度；为常温；S1为一次变化率参数；S2为二次变化率参数。
可选地，所述结电容的容值为：；其中，为零偏电容；为所述肖特基二极管的两端反偏电压；为势垒电压；M为指数参数。
可选地，所述感性核心参数包括所述肖特基二极管的寄生电感值；所述阻性核心参数包括所述常温等效电阻值、所述一次变化率参数和所述二次变化率参数；所述电流源核心参数包括所述饱和电流；所述容性核心参数包括所述零偏电容；
所述辅助参数包括所述理想因子、所述势垒电压和所述指数参数。
可选地，所述阻性核心参数具体通过下述步骤确定：
计算与常温对应的所述测试曲线的线性区的斜率，并作为所述常温等效电阻值；
计算与第一温度对应的所述测试曲线的线性区的斜率，并作为与所述第一温度对应的第一等效总电阻；
计算与第二温度对应的所述测试曲线的线性区的斜率，并作为与所述第二温度对应的第二等效总电阻；
基于所述第一等效总电阻和所述第二等效总电阻，采用两点法确定所述一次变化率参数S1和所述二次变化率参数S2。
可选地，所述寄生电感值具体通过下述步骤确定：
基于下述寄生电感经验计算公式确定所述寄生电感值：
；
其中，L为所述寄生电感值；h为过孔深度；d为过孔直径。
本申请所提供的肖特基二极管的模型参数标定方法包括：获取所述肖特基二极管的正向电流-电压特性的测试曲线；确定预设肖特基二极管模型中的核心参数的标定值以及辅助参数的经验初值；所述核心参数为影响正向电流-电压特性的变化趋势的模型参数，包括感性核心参数、阻性核心参数、电流源核心参数和容性核心参数；所述感性核心参数的标定值基于所述肖特基二极管的产品手册而确定或者基于经验计算公式而确定；所述阻性核心参数和所述电流源核心参数的标定值均基于所述测试曲线而确定；所述容性核心参数的标定值通过对所述肖特基二极管进行测试而确定；所述辅助参数为影响正向电流-电压特性的变化精度的模型参数；调整获取所述辅助参数的调节值；将所述核心参数的标定值以及所述辅助参数的调节值代入所述预设肖特基二极管模型；获取所述预设肖特基二极管模型的正向电流-电压特性的仿真曲线；判断所述仿真曲线与所述测试曲线的拟合误差是否小于预设阈值；若是，则将所述辅助参数的调节值确定为所述辅助参数的标定值；若否，则继续执行所述调整获取所述辅助参数的调节值的步骤。
可见，本申请所提供的肖特基二极管的模型参数标定方法，将预设肖特基二极管模型中的模型参数区分为核心参数和辅助参数，并且，针对于对肖特基二极管特性影响较小的辅助参数，本申请采用较为简单的仿真拟合校准方法进行标定，从而省却了复杂的研究计算，节省了人力和时间，提高了标定效率并确保了结果准确度。由于本申请简单易行，技术门槛较低，因此十分便于不具有器件工艺知识的一般电路设计人员在进行电路设计时使用。
附图说明
为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请所提供的肖特基二极管的模型参数标定方法在一具体实施方式中的流程图；
图2为本申请所提供的一种预设肖特基二极管模型的结构示意图；
图3为本申请所提供的不同理想因子下正向电流-电压特性的仿真曲线图；
图4为本申请所提供的势垒电压与结电容的变化关系曲线图；
图5为本申请所提供的指数参数与结电容的变化关系曲线图。
具体实施方式
本申请的核心在于提供一种方便简单、技术门槛较低的肖特基二极管的模型参数标定方法。
为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例公开了一种肖特基二极管的模型参数标定方法，参照图1所示，该方法主要包括以下步骤：
S101：获取肖特基二极管的正向电流-电压特性的测试曲线。
S102：确定预设肖特基二极管模型中的核心参数的标定值以及辅助参数的经验初值。
核心参数为影响正向电流-电压特性的变化趋势的模型参数，包括感性核心参数、阻性核心参数、电流源核心参数和容性核心参数；感性核心参数的标定值基于肖特基二极管的产品手册而确定或者基于经验计算公式而确定；阻性核心参数和电流源核心参数的标定值均基于测试曲线而确定；容性核心参数的标定值通过对肖特基二极管进行测试而确定；辅助参数为影响正向电流-电压特性的变化精度的模型参数。
S103：调整获取辅助参数的调节值。
S104：将核心参数的标定值以及辅助参数的调节值代入预设肖特基二极管模型。
S105：获取预设肖特基二极管模型的正向电流-电压特性的仿真曲线。
S106：判断仿真曲线与测试曲线的拟合误差是否小于预设阈值；若是，则进入S107；若否，则进入S103。
S107：将辅助参数的调节值确定为辅助参数的标定值。
具体地，请参考图2，图2为本申请所提供的一种预设肖特基二极管模型的结构示意图。
如图2所示，本申请所建立的预设肖特基二极管模型包括依次串联的寄生电感L、电流源ID和等效总电阻Rs，以及并联在电流源ID两端的结电容Cj。
其中，所说的寄生电感L实际上是由肖特基二极管的阳极引脚和阴极引脚引入的，其数值大小等于阳极引脚电感与阴极引脚电感之和，具体可依据经验计算公式而计算获取，也可以从肖特基二极管的产品手册中查找获取。
所说的等效总电阻Rs指的是肖特基二极管的器件内阻，也同样包含了阳极电阻和阴极电阻。因此，在本申请所建立的预设肖特基二极管模型中，寄生电感L与等效总电阻Rs的连接位置可互换，本申请对两者的相对位置关系并不进行限定。图2所示的预设肖特基二极管模型利用了感性、阻性、电流源和容性器件来拟合肖特基二极管的正向电流-电压特性，模拟效果较为准确，并且结构简单，便于使用。
具体地，本申请所提供的肖特基二极管的模型参数标定方法，主要包括两类模型参数的确定：核心参数和辅助参数。其中，核心参数对肖特基二极管的正向电流-电压特性起到主要的影响作用，当核心参数变化时将会影响整个正向电流-电压特性曲线的走向和走势；相对而言，辅助参数对正向电流-电压特性曲线的影响较小，辅助参数的变化将在小范围内影响正向电流-电压特性曲线的精度。
鉴于核心参数与辅助参数的不同影响效果，本申请可先确定出核心参数的标定值，然后在确定了核心参数的基础上对辅助参数进行微调，直至基于预设肖特基二极管模型得出的仿真曲线与肖特基二级管的测试曲线基本一致，从而确定出辅助参数的标定值。
对于部分核心参数，具体如阻性核心参数和电流源核心参数，它们与电流特性直接相关，因此可依据肖特基二极管的正向电流-电压特性的测试曲线得出标定值。所说的测试曲线，即为通过测试得到的真实特性曲线数据。一般地，肖特基二极管的产品手册中可能会有厂商提供的特性曲线测试数据；当然，本领域技术人员也可以自行测试获取。具体地，在图2中，电流源ID中的电流与结电容Cj中的电流之和即为肖特基二极管的正向电流-电压特性曲线中的电流值。
至于核心参数中的感性核心参数，可依据经验计算公式而计算确定标定值；当然，若肖特基二极管的产品手册中提供了相关数据，本领域技术人员也可通过查询产品手册而获取。至于核心参数中的容性核心参数，可利用相关测试设备对肖特基二极管进行测试而获取标定值。
对于辅助参数，由于其往往是电子技术领域中的一些常用参数，对此，可在经验初值的基础上进行微调，将核心参数与调节后的辅助参数代入到预设肖特基二极管模型中，仿真生成正向电流-电压特性的仿真曲线，并与测试曲线进行对比，直至两者的拟合误差小于预设阈值。则至此，核心参数与辅助参数的标定均已完成。
本申请所提供的肖特基二极管的模型参数标定方法，包括：获取所述肖特基二极管的正向电流-电压特性的测试曲线；确定预设肖特基二极管模型中的核心参数的标定值以及辅助参数的经验初值；核心参数为影响正向电流-电压特性的变化趋势的模型参数，包括感性核心参数、阻性核心参数、电流源核心参数和容性核心参数；感性核心参数的标定值基于肖特基二极管的产品手册而确定或者基于经验计算公式而确定；阻性核心参数和电流源核心参数的标定值均基于测试曲线而确定；容性核心参数的标定值通过对肖特基二极管进行测试而确定；辅助参数为影响正向电流-电压特性的变化精度的模型参数；调整获取辅助参数的调节值；将核心参数的标定值以及辅助参数的调节值代入预设肖特基二极管模型；获取预设肖特基二极管模型的正向电流-电压特性的仿真曲线；判断仿真曲线与测试曲线的拟合误差是否小于预设阈值；若是，则将辅助参数的调节值确定为辅助参数的标定值；若否，则继续执行调整获取辅助参数的调节值的步骤。
可见，本申请所提供的肖特基二极管的模型参数标定方法，将预设肖特基二极管模型中的模型参数区分为核心参数和辅助参数，并且，针对于对肖特基二极管特性影响较小的辅助参数，本申请采用较为简单的仿真拟合校准方法进行标定，从而省却了复杂的研究计算，节省了人力和时间，提高了标定效率并确保了结果准确度。由于本申请简单易行，技术门槛较低，因此十分便于不具有器件工艺知识的一般电路设计人员在进行电路设计时使用。
本申请所提供的肖特基二极管的模型参数标定方法，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，电流源的电流为：
；
其中，为饱和电流；q为电子电荷；V为肖特基二极管的两端电压；n为理想因子；k为玻尔兹曼常数；K为绝对温度。
一般地，饱和电流实际上取决于肖特基二极管的相关内部参数：，其中，A为肖特基二极管面积；为理查森常数；为势垒电压。但是，考虑到精确度，本申请实施例中具体可根据肖特基二极管的正向电流-电压特性的测试曲线而确定饱和电流的大小。
根据饱和电流的含义，容易理解的是，当肖特基二极管的两端电压V增大到一定程度后，其电流值趋于一个稳定值而不再变化，在正向电流-电压特性的测试曲线中的直观体现是：在两端电压V增大的方向上测试曲线存在一条渐近线。由此，即可将基于正向电流-电压特性的测试曲线所确定出的电流的稳定值作为饱和电流。
本申请所提供的肖特基二极管的模型参数标定方法，在上述内容的基础上，优选地，等效总电阻的阻值为：；其中，为常温等效电阻值；T为摄氏温度；为常温；S1为一次变化率参数；S2为二次变化率参数。
具体地，在本实施例中，具体是对等效总电阻进行了二级拟合，拟合点为常温等效电阻值，S1和S2均为拟合系数。其中，所说的常温一般可设置为25℃，即T0=25。由此，当确定了常温等效电阻值、S1和S2之后，便可得到在任意摄氏温度T下的等效总电阻的阻值。
值得注意的是，与上文中的绝对温度K不同，这里的T具体为摄氏温度。
本申请所提供的肖特基二极管的模型参数标定方法，在上述内容的基础上，作为一种优选实施例，结电容的容值为：
；
其中，为零偏电容；为肖特基二极管的两端反偏电压；为势垒电压；M为指数参数。
具体地，在本实施例中，结电容的容值具体与肖特基二极管的两端反偏电压有关，呈非线性变化；并且，反偏电压越大，结电容的容值越小，反偏电压越小，结电容的容值越大。
零偏电容即肖特基二极管的两端反偏电压为零时对应的电容值，其实际上也取决于肖特基二极管的相关内部参数：
；
其中，为漂移区载流子浓度，为真空介电常数，为相对介电常数。但是，类似地，出于高精度要求，本申请实施例中可具体通过测试而确定零偏电容的标定值：在肖特基二极管的两端反偏电压为0时，利用高精度电容测试设备对肖特基二极管进行测试，测得的容值即可作为零偏电容的标定值。
本申请所提供的肖特基二极管的模型参数标定方法，在上述内容的基础上，感性核心参数包括肖特基二极管的寄生电感值L；阻性核心参数包括常温等效电阻值、一次变化率参数S1和二次变化率参数S2；电流源核心参数包括饱和电流；容性核心参数包括零偏电容；
辅助参数包括理想因子n、势垒电压和指数参数M。
具体地，如前所述，寄生电感值L可以基于经验计算公式而计算获取，也可以利用产品手册而查询获取。
进一步地，所述经验计算公式可具体为下述寄生电感经验计算公式：
；
其中，h为过孔深度；d为过孔直径。
而对于电流源，如前所述，饱和电流可根据肖特基二极管的正向电流-电压特性的测试曲线确定；而理想因子n、势垒电压则可作为所说的辅助参数，在核心参数均确定后再进行调节和确定。
而对于等效总电阻，作为一种具体实施例，包括常温等效电阻值、一次变化率参数S1和二次变化率参数S2在内的阻性核心参数，具体可通过下述步骤确定：
计算与常温对应的测试曲线的线性区的斜率，并作为常温等效电阻值；
计算与第一温度对应的测试曲线的线性区的斜率，并作为与第一温度对应的第一等效总电阻；
计算与第二温度对应的测试曲线的线性区的斜率，并作为与第二温度对应的第二等效总电阻；
基于第一等效总电阻和第二等效总电阻，采用两点法确定一次变化率参数S1和二次变化率参数S2。
具体地，正向电流-电压特性曲线在线性区的斜率即为等效总电阻，则在常温条件下对应的则是常温等效电阻值。对于一次变化率参数S1和二次变化率参数S2这两个未知数，在获取了第一温度对应的等效电阻值、第二温度对应的等效电阻值之后，即可代入下述方程中进行求解：
。
其中，常温为25℃，第一温度和第二温度的取值范围推荐但不限于30℃~75℃。
而对于结电容，如前所述，零偏电容可以利用高精度电容测试设备对肖特基二极管进行测试而获取；至于指数参数M，则可作为辅助参数，并在所有核心参数均确定之后再进行调节和确定。理想情况下，指数参数M的经验初值可取值为0.5。
请参考图3，图3为本申请所提供的不同理想因子n对应的正向电流-电压特性的仿真曲线图。如图3所示，沿着箭头所示方向变化的多条仿真曲线，对应的理想因子n从1逐渐变化为2。从中选择与测试曲线的拟合误差小于预设阈值的仿真曲线，则对应的理想因子n的值即可被确定为预设肖特基二极管模型中辅助参数理想因子n最终的标定值。
请参考图4，图4为本申请所提供的势垒电压与结电容的变化关系曲线图。从图4可以看出，当势垒电压增大时，结电容的容值也增大，并且变化量较小。在将相关模型参数代入到预设肖特基二极管模型中获取仿真曲线后，从中选择与测试曲线的拟合误差小于预设阈值的仿真曲线，则对应的势垒电压的值即可被确定为预设肖特基二极管模型中辅助参数势垒电压最终的标定值。
请参考图5，图5为本申请所提供的指数参数M与结电容的变化关系曲线图。从图5可以看出，当指数参数M增大时，结电容的容值减小，并且变化量较小。在将相关模型参数代入到预设肖特基二极管模型中获取仿真曲线后，从中选择与测试曲线的拟合误差小于预设阈值的仿真曲线，则对应的指数参数M的值即可被确定为预设肖特基二极管模型中辅助参数指数参数M最终的标定值。
容易理解的是，在对某一个辅助参数进行调节时，可令其余辅助参数的取值固定。
本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.一种肖特基二极管的模型参数标定方法，其特征在于，包括：
获取所述肖特基二极管的正向电流-电压特性的测试曲线；
确定预设肖特基二极管模型中的核心参数的标定值以及辅助参数的经验初值；所述核心参数为影响正向电流-电压特性的变化趋势的模型参数，包括感性核心参数、阻性核心参数、电流源核心参数和容性核心参数；所述感性核心参数包括所述肖特基二极管的寄生电感值；所述阻性核心参数包括常温等效电阻值、等效总电阻的一次变化率参数和二次变化率参数；所述电流源核心参数包括饱和电流；所述容性核心参数包括零偏电容；所述感性核心参数的标定值基于所述肖特基二极管的产品手册而确定或者基于经验计算公式而确定；所述阻性核心参数的标定值基于所述测试曲线采用两点法通过二级拟合确定；所述电流源核心参数的标定值基于所述测试曲线的渐近线而确定；所述容性核心参数的标定值通过电容测试设备对所述肖特基二极管进行测试而确定；所述辅助参数为影响正向电流-电压特性的变化精度的模型参数，包括理想因子、势垒电压和指数参数；
调整获取所述辅助参数的调节值；
将所述核心参数的标定值以及所述辅助参数的调节值代入所述预设肖特基二极管模型；
获取所述预设肖特基二极管模型的正向电流-电压特性的仿真曲线；
判断所述仿真曲线与所述测试曲线的拟合误差是否小于预设阈值；
若是，则将所述辅助参数的调节值确定为所述辅助参数的标定值；
若否，则继续执行所述调整获取所述辅助参数的调节值的步骤。
2.根据权利要求1所述的模型参数标定方法，其特征在于，所述预设肖特基二极管模型包括依次串联的寄生电感、电流源和等效总电阻，以及并联在所述电流源两端的结电容。
3.根据权利要求2所述的模型参数标定方法，其特征在于，所述电流源的电流ID为ID＝IS[e(qV/nkK)-1]；其中，IS为饱和电流；q为电子电荷；V为所述肖特基二极管的两端电压；n为所述理想因子；k为玻尔兹曼常数；K为绝对温度。
4.根据权利要求3所述的模型参数标定方法，其特征在于，所述等效总电阻的阻值Rs为：其中，为所述常温等效电阻值；T为摄氏温度；T0为常温；S1为所述一次变化率参数；S2为所述二次变化率参数。
5.根据权利要求4所述的模型参数标定方法，其特征在于，所述结电容的容值Cj为：其中，Cj0为所述零偏电容；VR为所述肖特基二极管的两端反偏电压；φb为所述势垒电压；M为所述指数参数。
6.根据权利要求5所述的模型参数标定方法，其特征在于，所述阻性核心参数具体通过下述步骤确定：
计算与常温T0对应的所述测试曲线的线性区的斜率，并作为所述常温等效电阻值
计算与第一温度T1对应的所述测试曲线的线性区的斜率，并作为与所述第一温度对应的第一等效总电阻Rs1；
计算与第二温度T2对应的所述测试曲线的线性区的斜率，并作为与所述第二温度对应的第二等效总电阻Rs2；
基于所述第一等效总电阻Rs1和所述第二等效总电阻Rs2，采用两点法确定所述一次变化率参数S1和所述二次变化率参数S2。
7.根据权利要求5所述的模型参数标定方法，其特征在于，所述寄生电感值具体通过下述步骤确定：
基于下述寄生电感经验计算公式确定所述寄生电感值：
其中，L为所述寄生电感值；h为过孔深度；d为过孔直径。
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