二極管的功率損耗分析和計(jì)算

1、二極管的功率損耗分析和計(jì)算【摘要】電子元器件在工作狀態(tài)都存在著一定的功率損耗，二極管也不例外, 尤其是功率二極管，其功率損耗更為顯著。本文通過對(duì)功率二極管工作周期過程 的剖析，詳細(xì)闡述了二極管的功率損耗來源、組成極其詳細(xì)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型?！娟P(guān)鍵詞】功率二極管；功率損耗.引言當(dāng)電流流過器件、設(shè)備等電路的時(shí)候，電能會(huì)被轉(zhuǎn)化為各種形式的能量，如 熱、光、聲、動(dòng)能等等。被轉(zhuǎn)化成的能量有的是有用的，對(duì)應(yīng)的功率消耗就是有 用的，是使用者所希望的。而另外的一局部能量那么被轉(zhuǎn)化為了無用的形式而被浪 費(fèi)掉了，那么與這局部能量對(duì)應(yīng)的功率就是就是功率損耗，這正是本文要重點(diǎn)分析 和探討的。例如在一個(gè)交流到直流（AC-D

2、C）轉(zhuǎn)換電路中，當(dāng)電流流過整流二極管的 時(shí)候，電能將被轉(zhuǎn)化為熱能而白白消耗掉，但是這一局部熱功耗并不是我們想要 的。這就是二極管器件的功率損耗。.理想二極管為了更好理解和分析二極管的功率損耗，我們先從理想二極管模型開始分 析。在理想二極管的電路模型當(dāng)中，其等效于一個(gè)零正向壓降、零反向漏流、零 開通關(guān)斷響應(yīng)（無延遲）時(shí)間（開通和關(guān)斷損耗）的電子開關(guān)，其功耗為零。對(duì)于二極管，人們所期望的狀態(tài)是到達(dá)理想二極管的水平。但是這個(gè)僅僅是 我們的期望（至少目前是）而已。因?yàn)橐阅壳暗募夹g(shù)，設(shè)計(jì)者無法完全消除正向 壓降和反向漏電流，同樣的還有響應(yīng)時(shí)間無法為零，這是由開通關(guān)斷過程中的電 荷效應(yīng)所決定的?；谀壳暗?/p>

3、技術(shù)，人們能做到的僅僅是在保持性能的同時(shí)，盡量降低正向壓 降和二極管的響應(yīng)時(shí)間。.二極管的動(dòng)態(tài)特性實(shí)際上不存在理想二極管，實(shí)際的二極管由于結(jié)電容效應(yīng)的存在，在其通態(tài) 和斷態(tài)相互之間切換時(shí)存在著一種暫態(tài)過程，這些暫態(tài)過程的電壓電流特性是隨 時(shí)間變化的。開通暫態(tài)過程我們知道，當(dāng)給二極管施加一個(gè)高于正向?qū)妷海ㄩ撝担┑碾妷簳r(shí)，二極 管就會(huì)導(dǎo)通。在理想二極管模型中，我們將開通時(shí)間視為零，正向壓降視為零。然而實(shí)際 的二極管并非如此，如下列圖所示，正向壓降從零開始逐漸增大，在經(jīng)過一個(gè)過沖 電壓VFP后才逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)應(yīng)的時(shí)間為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。關(guān)斷暫態(tài)過程當(dāng)給二極管施加一個(gè)反向電壓時(shí)并不是能立即關(guān)斷

4、，而是需要一定的時(shí)間才 能重新獲得反向阻斷的能力。在完全關(guān)斷之前，會(huì)有電壓和電流的過沖山。.二極管功率損耗的計(jì)算二極管的一個(gè)工作周期從開通到通態(tài)，從通態(tài)到關(guān)斷，從關(guān)斷到斷態(tài)。包含 此全部過程的一個(gè)周期為其工作周期。一個(gè)工作周期內(nèi)的功率損耗組成如下：第一局部：靜態(tài)損耗：（1）通態(tài)平均功率損耗：相反地，如果我們能夠降低其中的某些參數(shù)值，那么可以降低功率損耗。在所 有的功率損耗中，通態(tài)損耗所占比例最大。因此降低通態(tài)損耗是降低總功率損耗 的主要路徑和方法。而對(duì)于通態(tài)損耗來講，正向電流由應(yīng)用條件和最大額定決定，為恒定值，占 空比也由應(yīng)用條件決定，由算式1可以清楚地看到降低正向壓降是降低功率損耗 的主要途

5、徑。而正向壓降正是二極管本身的性能能力決定的。所以選擇低功耗二極管主要的要看在同等條件下的正向壓降。壓降越低的， 其功耗也越低。例如VISHAY公司LVB2560系列橋式整流器比同等額定電流 的產(chǎn)品正向壓降低8% （針對(duì)單個(gè)二極管）左右在同等應(yīng)用條件下，其對(duì)應(yīng)的功 率損耗也會(huì)相應(yīng)降低8% （對(duì)于單個(gè)二極管）左右，整流橋的整個(gè)周期內(nèi)由四個(gè) 二極管工作，其功耗節(jié)省也將是單個(gè)的4倍到達(dá)32%。.總結(jié)理想的二極管的數(shù)學(xué)模型和理想特性告訴我們其零功率損耗為零，但這畢竟 只是人們的良好期望。就目前的技術(shù)來講，沒有廠商能夠做到理想的特性。這是 因?yàn)閷?shí)際的二極管開關(guān)特性和通態(tài)斷態(tài)特性決定了其功率損耗是必然存在的。作 為使用者，只有非常清楚地知道二極管的功率損耗組成和決定功率損耗的主要參 數(shù)，才能在選擇使用二極管的過程中明確關(guān)鍵參數(shù)，選擇更低功耗的二極管，實(shí) 現(xiàn)能源的有效利用?？傮w來講，應(yīng)該選擇那些同等條件下，正向壓降低、反向漏電流小、恢復(fù)時(shí) 間短的二極管。但這些特性往往不能同時(shí)具備，需要我們根據(jù)實(shí)際使用條件，優(yōu) 先考慮那些與主要損耗相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。參考文獻(xiàn)1王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版