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功率二极管基础及其功耗计算

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功率二极管是电力电子线路最基本的组成单元,他的单向导电性可用于电路的整流、箝位、续流。
正向偏置(Forward Bias):二极管的阳极侧施加正电压,阴极侧施加负电压,这样就称为正向偏置,所加电压为正向偏置。
反向偏置(Reverse Bias):在阳极侧施加相对阴极负的电压,就是反向偏置,所加电压为反向偏置。

下面这篇博客依次介绍了功率二极管的基础,二极管的发热和温度计算,功率二极管功耗的全计算过程。

功率二极管基础

二极管电流公式:



注意的参数:





Forward-bias(正向偏置恢复时间)



影响条件:
正向电流(电流越大反向时间越长)
反向电压(电压越小反向时间越长)
电流变化速度,速度越快减小恢复时间却会加长存储时间
结温越高同时增加恢复时间和存储时间
reverse-bias(反向偏置)



影响条件:
正向电流(电流越大正向电压越大)
电流脉冲上升时间(脉冲越陡正向电压越大)
温度影响不大

综合整个过程



计算结温过程(对于脉冲电流的计算方法)







        

精确计算二极管发热和温度

博主注:这些计算都是有适用条件的(大电流的功率二极管一定要算,一般的二极管就不用算了),所以还没有深入浅出的搞清楚计算的界限。

拟合用的是Mathcad。
计算二级管的散热情况
在设计功率电源的时候,二级管一般损耗比较大,而且为了能够更加精确的去分析,我们来看一下一般的计算过程。
Losses due to forward voltagedrop(正向功耗)
P.f=V.f*I.o
V.f:正向导通电压
I.o:输出电流
Losses due to diode leakage current(反向功耗)
P.r=V.r*I.r
V.r:反向电压
I.r:反向电流
我们假设电路为:



然后把参数罗列出来计算



然后可以计算出来:



我们可以得到什么结论呢:二级管烧掉了。这种逻辑在于,结温直接从85度环境温度上升到半导体的极限150摄氏度。



这里我们假设二级管直接按照最大的热阻和最大功耗,这是有问题和值得思量的,现在我们换种思路:



我们可以发现,二级管其实并不会坏。问题就集中在于二级管的模型没有建立好。
建立模型很重要,如果按照单个最大值来分析,我们面临的问题是把它的范围放得很大,对于比较临界的问题来说,基本把可以用的元器件排斥在外了。



因此我们需要仔细建立模型,正向电压的过程如下:
蓝色为从图中抓取的数据,红色为我们知道的PN结模型,下面一个红色的为曲线拟合过程:





结果如下:



反向电流也是同样地:



这些做完以后我们可以很精确的知道,温度,电压这些对于管子的实际影响了。


        
功率二极管的功耗计算

前面关于功率二极管,基础,热阻,正向压降都已经涉及到了。在这里需要补充全计算过程:





正向压降功耗:
算法1:
P.f=V.f*I.o
V.f:正向导通电压
I.o:输出电流



算法2:
Vf=Vo+If*Rs
Pf=Vo*If+Rs*If^2



反向电流功耗:
这个值不太好估计,因为Vr也在变化,因此我建议以实测为主:



实测:



然后可测得电压下降波形进行计算。
漏电流功耗:
P.r=V.r*I.r  V.r:反向电压 I.r:反向电流




作者:yulzhu

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