一种二极管特征参数的提取方法

潘跃林，肖 欢

(1. 海上风力发电技术与检测国家重点实验室，湖南湘潭 411101；2. 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)

一种二极管特征参数的提取方法

潘跃林，肖 欢

(1. 海上风力发电技术与检测国家重点实验室，湖南湘潭 411101；2. 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)

本文提出了一种二极管导通时伏安特性曲线提取二极管特征参数的方法。通过对导通后电压电流的超越方程合理简化， 转换为多维线性方程，并利用线性回归的方法提取出二极管的主要参数：反向饱和电流、非理想化因子、串联电阻及并联导纳。仿真结果表明，该方法是简单和可行的。最后，根据二极管GP20、GP30测试得到的伏安特性曲线，提取了二极管GP20、GP30的特征参数。

二极管 伏安特性 参数提取

0 引言

在电力系统的仿真与分析中，往往需要知道系统中各个设备和电路的仿真模型。二极管作为一种典型的、最常见的非线性器件广泛应用于电力电子电路中。一般电子器件厂商只会给出二极管导通时测量得到的伏安特性曲线。在进行电路分析时，需要知道二极管的模型及特征参数。因此，有必要根据二极管导通时伏安特性曲线提取二极管的特征参数。

J.I. Lee[1]提出了一种基于计算机数值拟合的方法提取特征参数，但该方法需要知道二极管截止时的电压电流值。Koubao Ding[2]提出利用牛顿法对超越方程进行数值求解，但该方法对参数的初始值的选择要求比较高，容易出现无法收敛的情况。R. Tobji[3]提出了一种数值计算的方法提取特征参数，但该方法线性化时严重依赖于二极管非理想因子初始值的选择。Safae AAZOU[4]提出了一种基于朗伯函数将超越方程线性化的思想提取特征参数，但该方法计算比较复杂。本文将提出一种新的简单有效的方法，通过二极管的正向伏安特性曲线提取二极管特征参数，主要包括反向饱和电流、非理想化因子、串联电阻和并联导纳。

2 二极管等效电路模型

二极管的基本等效电路模型[5]如图1所示。

二极管伏安特性的数学模型可表示为：

式中，IS为二极管反向饱和电流，n为二极管非理想化因子，rS为串联电阻，Gp为并联电导，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷。VT称为热电压，在T=300 K时，VT=26 mV。

图1 二极管等效电路模型

当电压V较高，即二极管导通时，串联电阻对电流的影响较大。当电压V较低，即二极管截止时，并联电导对电流的影响较大。所以根据二极管导通时的伏安特性曲线求二极管特征参数时，二极管伏安特性的数学模型可以简化为：

利用基于最小方差的多维线性回归的方法求出系数a1、a2、a3，即可求出特征参数rS、n、IS。

3 仿真分析

将特征参数代入方程(9)即可得到该二极管的伏安特性仿真曲线，如图2中星号线所示。利用上述方法，根据(V，I)值，得到(V，I，ln(I))值，由matlab中线性回归函数regress，得到系数a1=0.05，a2=0.026433，a3=0.71516。

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

提取的二极管特征参数如表1所示：

表1 特征参数值

从表1中可以看出，IS的提取值和原始值在一个数量级，n、rS、GP的提取值很精确。

将提取的特征参数代入方程(9)得到拟合的伏安特性曲线如图2中实线所示。通过特征参数的比较及曲线的拟合可以证明该方法是有效的。

图2 仿真伏安特性曲线及拟合伏安特性曲线

4 实测数据验证

以实际的高频整流二极管GP20、GP30为例，Datesheet中给出了该二极管在300 K时的正向伏安特性，如图3和图4中星号线所示，利用本文提出的方法，提取得到该二极管的特征参数如表2所示。

表2 GP20、GP30的特征参数值

利用提取的特征参数，代入到二极管的数学模型式(1)中，得到拟合的伏安特性如图3和图4中实线所示。

图3 GP20伏安特性测试曲线及拟合曲线

图4 GP30伏安特性测试曲线及拟合曲线

从图3和图4可以看出，通过提取的特征参数代入伏安特性模型中，得到的伏安特性曲线和测量得到的伏安特性曲线拟合的很好。

5 结论

本文提出了一种基于二极管导通时的伏安特性曲线提取二极管特征参数的方法，通过仿真分析和整流二极管GP20、GP30厂商给出的实测伏安特性曲线，验证了该方法是简单、可行、准确的。

[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] 吴建华. 电路原理[M]. 机械工业出版社, 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

潘跃林（1977-），男，工程师。研究方向：大功率风力发电机。