二極管的功率損耗分析和計算

王鵬年

【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)計算模型。

【關(guān)鍵詞】功率二極管；功率損耗

1.引言

當(dāng)電流流過器件、設(shè)備等電路的時候，電能會被轉(zhuǎn)化為各種形式的能量，如熱、光、聲、動能等等。被轉(zhuǎn)化成的能量有的是有用的，對應(yīng)的功率消耗就是有用的，是使用者所希望的。而另外的一部分能量則被轉(zhuǎn)化為了無用的形式而被浪費掉了，則與這部分能量對應(yīng)的功率就是就是功率損耗，這正是本文要重點分析和探討的。

例如在一個交流到直流（AC-DC）轉(zhuǎn)換電路中，當(dāng)電流流過整流二極管的時候，電能將被轉(zhuǎn)化為熱能而白白消耗掉，但是這一部分熱功耗并不是我們想要的。這就是二極管器件的功率損耗。

2.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，其等效于一個零正向壓降、零反向漏流、零開通關(guān)斷響應(yīng)（無延遲）時間（開通和關(guān)斷損耗）的電子開關(guān)，其功耗為零。

對于二極管，人們所期望的狀態(tài)是達(dá)到理想二極管的水平。但是這個僅僅是我們的期望（至少目前是）而已。因為以目前的技術(shù)，設(shè)計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。

基于目前的技術(shù)，人們能做到的僅僅是在保持性能的同時，盡量降低正向壓降和二極管的響應(yīng)時間。

3.二極管的動態(tài)特性

實際上不存在理想二極管，實際的二極管由于結(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間變化的。

3.1 開通暫態(tài)過程

我們知道，當(dāng)給二極管施加一個高于正向?qū)妷海ㄩ撝担┑碾妷簳r，二極管就會導(dǎo)通。

在理想二極管模型中，我們將開通時間視為零，正向壓降視為零。然而實際的二極管并非如此，如下圖所示，正向壓降從零開始逐漸增大，在經(jīng)過一個過沖電壓VFP 后才逐漸趨于穩(wěn)定。對應(yīng)的時間為正向恢復(fù)時間tfr。

3.2 關(guān)斷暫態(tài)過程

當(dāng)給二極管施加一個反向電壓時并不是能立即關(guān)斷，而是需要一定的時間才能重新獲得反向阻斷的能力。在完全關(guān)斷之前，會有電壓和電流的過沖[1][2]。

4.二極管功率損耗的計算

二極管的一個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周期為其工作周期。一個工作周期內(nèi)的功率損耗組成如下：

第一部分：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，則可以降低功率損耗。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[3]橋式整流器比同等額定電流的產(chǎn)品正向壓降低8%（針對單個二極管）左右在同等應(yīng)用條件下，其對應(yīng)的功率損耗也會相應(yīng)降低8%（對于單個二極管）左右，整流橋的整個周期內(nèi)由四個二極管工作，其功耗節(jié)省也將是單個的4倍達(dá)到32%。

5.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。這是因為實際的二極管開關(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，實現(xiàn)能源的有效利用。

總體來講，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)時間短的二極管。但這些特性往往不能同時具備，需要我們根據(jù)實際使用條件，優(yōu)先考慮那些與主要損耗相對應(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)出版社， 2000.

[2]陳堅.電力電子技術(shù).北京：高等教育出版社，2004

[3]Vishay Intertechnology，Inc..LVB2560 DATASHEET.26-Jun-13.