二极管的功率损耗分析和计算

二极管的功率损耗分析和计算

【摘要】电子元器件在工作状态都存在着一定的功率损耗，二极管也不例外，尤其是功率二极管，其功率损耗更为显著。本文通过对功率二极管工作周期过程的剖析，详细阐述了二极管的功率损耗来源、组成极其详细的数学计算模型。

【关键词】功率二极管；功率损耗

1.引言

当电流流过器件、设备等电路的时候，电能会被转化为各种形式的能量，如热、光、声、动能等等。被转化成的能量有的是有用的，对应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则被转化为了无用的形式而被浪费掉了，则与这部分能量对应的功率就是就是功率损耗，这正是本文要重点分析和探讨的。

例如在一个交流到直流（AC-DC）转换电路中，当电流流过整流二极管的时候，电能将被转化为热能而白白消耗掉，但是这一部分热功耗并不是我们想要的。这就是二极管器件的功率损耗。

2.理想二极管

为了更好理解和分析二极管的功率损耗，我们先从理想二极管模型开始分析。

在理想二极管的电路模型当中，其等效于一个零正向压降、零反向漏流、零开通关断响应（无延迟）时间（开通和关断损耗）的电子开关，其功耗为零。

对于二极管，人们所期望的状态是达到理想二极管的水平。但是这个仅仅是我们的期望（至少目前是）而已。因为以目前的技术，设计者无法完全消除正向压降和反向漏电流，同样的还有响应时间无法为零，这是由开通关断过程中的电荷效应所决定的。

基于目前的技术，人们能做到的仅仅是在保持性能的同时，尽量降低正向压降和二极管的响应时间。

3.二极管的动态特性

实际上不存在理想二极管，实际的二极管由于结电容效应的存在，在其通态和断态相互之间切换时存在着一种暂态过程，这些暂态过程的电压电流特性是随时间变化的。

3.1 开通暂态过程

我们知道，当给二极管施加一个高于正向导通电压（阈值）的电压时，二极管就会导通。

在理想二极管模型中，我们将开通时间视为零，正向压降视为零。然而实际的二极管并非如此，如下图所示，正向压降从零开始逐渐增大，在经过一个过冲电压VFP 后才逐渐趋于稳定。对应的时间为正向恢复时间tfr。

3.2 关断暂态过程

当给二极管施加一个反向电压时并不是能立即关断，而是需要一定的时间才能重新获得反向阻断的能力。在完全关断之前，会有电压和电流的过冲[1][2]。

4.二极管功率损耗的计算

二极管的一个工作周期从开通到通态，从通态到关断，从关断到断态。包含此全部过程的一个周期为其工作周期。一个工作周期内的功率损耗组成如下：

第一部分：静态损耗：

（1）通态平均功率损耗：

相反地，如果我们能够降低其中的某些参数值，则可以降低功率损耗。在所有的功率损耗中，通态损耗所占比例最大。因此降低通态损耗是降低总功率损耗的主要路径和方法。

而对于通态损耗来讲，正向电流由应用条件和最大额定决定，为恒定值，占空比也由应用条件决定，由算式1可以清楚地看到降低正向压降是降低功率损耗的主要途径。而正向压降正是二极管本身的性能能力决定的。

所以选择低功耗二极管主要的要看在同等条件下的正向压降。压降越低的，其功耗也越低。例如VISHAY公司LVB2560系列[3]桥式整流器比同等额定电流的产品正向压降低8%（针对单个二极管）左右在同等应用条件下，其对应的功率损耗也会相应降低8%（对于单个二极管）左右，整流桥的整个周期内由四个二极管工作，其功耗节省也将是单个的4倍达到32%。

5.总结

理想的二极管的数学模型和理想特性告诉我们其零功率损耗为零，但这毕竟只是人们的良好期望。就目前的技术来讲，没有厂商能够做到理想的特性。这是因为实际的二极管开关特性和通态断态特性决定了其功率损耗是必然存在的。作为使用者，只有非常清楚地知道二极管的功率损耗组成和决定功率损耗的主要参数，才能在选择使用二极管的过程中明确关键参数，选择更低功耗的二极管，实现能源的有效利用。

总体来讲，应该选择那些同等条件下，正向压降低、反向漏电流小、恢复时间短的二极管。但这些特性往往不能同时具备，需要我们根据实际使用条件，优先考虑那些与主要损耗相对应的参数。

参考文献

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2000.

[2]陈坚.电力电子技术.北京：高等教育出版社，2004

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