一種二極管特征參數的提取方法

潘躍林，肖 歡

(1. 海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室，湖南湘潭 411101；2. 海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033)

一種二極管特征參數的提取方法

潘躍林，肖 歡

(1. 海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室，湖南湘潭 411101；2. 海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033)

本文提出了一種二極管導通時伏安特性曲線提取二極管特征參數的方法。通過對導通后電壓電流的超越方程合理簡化， 轉換為多維線性方程，并利用線性回歸的方法提取出二極管的主要參數：反向飽和電流、非理想化因子、串聯電阻及并聯導納。仿真結果表明，該方法是簡單和可行的。最后，根據二極管GP20、GP30測試得到的伏安特性曲線，提取了二極管GP20、GP30的特征參數。

二極管 伏安特性 參數提取

0 引言

在電力系統的仿真與分析中，往往需要知道系統中各個設備和電路的仿真模型。二極管作為一種典型的、最常見的非線性器件廣泛應用于電力電子電路中。一般電子器件廠商只會給出二極管導通時測量得到的伏安特性曲線。在進行電路分析時，需要知道二極管的模型及特征參數。因此，有必要根據二極管導通時伏安特性曲線提取二極管的特征參數。

J.I. Lee[1]提出了一種基于計算機數值擬合的方法提取特征參數，但該方法需要知道二極管截止時的電壓電流值。Koubao Ding[2]提出利用牛頓法對超越方程進行數值求解，但該方法對參數的初始值的選擇要求比較高，容易出現無法收斂的情況。R. Tobji[3]提出了一種數值計算的方法提取特征參數，但該方法線性化時嚴重依賴于二極管非理想因子初始值的選擇。Safae AAZOU[4]提出了一種基于朗伯函數將超越方程線性化的思想提取特征參數，但該方法計算比較復雜。本文將提出一種新的簡單有效的方法，通過二極管的正向伏安特性曲線提取二極管特征參數，主要包括反向飽和電流、非理想化因子、串聯電阻和并聯導納。

2 二極管等效電路模型

二極管的基本等效電路模型[5]如圖1所示。

二極管伏安特性的數學模型可表示為：

式中，IS為二極管反向飽和電流，n為二極管非理想化因子，rS為串聯電阻，Gp為并聯電導，k為波爾茲曼常數，T為絕對溫度，q為電子電荷。VT稱為熱電壓，在T=300 K時，VT=26 mV。

圖1 二極管等效電路模型

當電壓V較高，即二極管導通時，串聯電阻對電流的影響較大。當電壓V較低，即二極管截止時，并聯電導對電流的影響較大。所以根據二極管導通時的伏安特性曲線求二極管特征參數時，二極管伏安特性的數學模型可以簡化為：

利用基于最小方差的多維線性回歸的方法求出系數a1、a2、a3，即可求出特征參數rS、n、IS。

3 仿真分析

將特征參數代入方程(9)即可得到該二極管的伏安特性仿真曲線，如圖2中星號線所示。利用上述方法，根據(V，I)值，得到(V，I，ln(I))值，由matlab中線性回歸函數regress，得到系數a1=0.05，a2=0.026433，a3=0.71516。

將a1、a2、a3代入式(7)即可求得IS、n、rS，將IS、n、rS代入式(8)即可求得GP。

提取的二極管特征參數如表1所示：

表1 特征參數值

從表1中可以看出，IS的提取值和原始值在一個數量級，n、rS、GP的提取值很精確。

將提取的特征參數代入方程(9)得到擬合的伏安特性曲線如圖2中實線所示。通過特征參數的比較及曲線的擬合可以證明該方法是有效的。

圖2 仿真伏安特性曲線及擬合伏安特性曲線

4 實測數據驗證

以實際的高頻整流二極管GP20、GP30為例，Datesheet中給出了該二極管在300 K時的正向伏安特性，如圖3和圖4中星號線所示，利用本文提出的方法，提取得到該二極管的特征參數如表2所示。

表2 GP20、GP30的特征參數值

利用提取的特征參數，代入到二極管的數學模型式(1)中，得到擬合的伏安特性如圖3和圖4中實線所示。

圖3 GP20伏安特性測試曲線及擬合曲線

圖4 GP30伏安特性測試曲線及擬合曲線

從圖3和圖4可以看出，通過提取的特征參數代入伏安特性模型中，得到的伏安特性曲線和測量得到的伏安特性曲線擬合的很好。

5 結論

本文提出了一種基于二極管導通時的伏安特性曲線提取二極管特征參數的方法，通過仿真分析和整流二極管GP20、GP30廠商給出的實測伏安特性曲線，驗證了該方法是簡單、可行、準確的。

[1] J.I.Lee, J. Brini, C.A. Dimitriadis. Simple parameter extraction method for non-ideal Schottky barrier diodes[C]. ELECTRONICS LETTERS. 1998, Vol.34, No. 12, 1268-1269.

[2] Ding Koubao, Pan Jun. Study on the Extraction of PN Diode Parameters from Forward I-V Characteristics[J]. Chinese Journal of Electron Devices. 2002, Vol. 23, No. 1, 27-28.

[3] R. Tobji, C. Merheb, S. Georges. A Numerical Technique for Parameters extraction of a p-n Junction Diode in the Presence of Parasitic Resistance[C]. ACTEA 2009, 329-333.

[4] Safae AAZOU, EI Mahdi ASSAID. SCHOTTKY DIODE PARAMETERS EXTRACTION USING TWO DIFERENT METHODS[C]. 2009 International Conference on Microelectronics, 240-243.

[5] 吳建華. 電路原理[M]. 機械工業出版社, 2009.

The Method to Pick up Characteristic Parameter of a Diode

Pan Yuelin, Xiao Huan

(1. Ocean Wind power Technology and Detection State Key Laboratory, Xiang Tan 411101, Hunan, China; 2. National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The paper puts forward a method to pick up the characteristic parameters of a diode based on the volt-ampere characteristic curve. First, the exceed function is simplified reasonably. And then, the exceed function is changed into multiple linear function. At last, main characteristic parameters, such as the inverse saturation current, the non-ideal factor, the series resistance and the shunt conductance, are picked by linear regress. The method is proved to be simple and available. Finally, the characteristic parameters of the diode GP20 and GP30 are picked up from the testing Volt-Ampere Characteristic Curve.

diode; volt-ampere characteristic; parameter extraction

TM131

A

1003-4862(2015)08-0055-03

2015-04-29

潘躍林（1977-），男，工程師。研究方向：大功率風力發電機。