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淺談二極管的功耗

在實際的應用中,我們工程師多數只關心二極管的反向耐壓及正向電流是否可以滿足我們的設計,二極管自身的功耗多數會被忽略掉。近期在300kVA電源設計中,翻了翻老書,寫一寫功耗的計算過程,以勉勵自己。

此貼涉及 的二極管包括整流管(包括電力二極管),開關管,快恢復及肖特基二極管。

二極管的功耗包括,通態損耗,斷態損耗及開關損耗,這里逐步討論。

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2021-09-15 13:16

優秀!

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2021-09-15 15:33

帥,期待后續。

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2021-09-16 09:49

期待后續精彩內容分享!!

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2021-09-17 08:56

    由于結電容的存在,二極管在正向偏置,反向偏置及零壓偏置的轉換過程中,必然需要一個動態的調節過程,這個過渡的過程必然需要一定的時間。動態過程如下:

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2021-09-17 09:18

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2021-09-18 08:32
@henchsuen1984
[圖片]

二極管的的幾個主要參數:

正向平均電流ITAV:也叫做半波電流平均值,在長期運行時,在指定的管殼溫度及散熱條件下,其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。在此電流下,因管子的正向壓降引起的損耗造成的結溫升高不會超過所允許的最高工作結溫。這也是標稱其額定電流的參數。該參數等效于相同時間流過同等電量的直流電流值。

ITAV =

其中Im為交流電流峰值,Irms為交流電流有效值。

正向有效值電流ITrms:也叫做半波電流有效值,等效于相同工況同時間產生相同熱的直流電流值。

ITrms = = 1.57ITAV

正向壓降UF:指二極管在指定溫度下,流過某一指定的穩態正向電流時對應的正向壓降。因此,通態時管壓降是隨輸入交流電流而改變的。

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2021-09-18 08:32
@henchsuen1984
二極管的的幾個主要參數:正向平均電流ITAV:也叫做半波電流平均值,在長期運行時,在指定的管殼溫度及散熱條件下,其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。在此電流下,因管子的正向壓降引起的損耗造成的結溫升高不會超過所允許的最高工作結溫。這也是標稱其額定電流的參數。該參數等效于相同時間流過同等電量的直流電流值。ITAV =其中Im為交流電流峰值,Irms為交流電流有效值。正向有效值電流ITrms:也叫做半波電流有效值,等效于相同工況同時間產生相同熱的直流電流值。ITrms ==1.57ITAV正向壓降UF:指二極管在指定溫度下,流過某一指定的穩態正向電流時對應的正向壓降。因此,通態時管壓降是隨輸入交流電流而改變的。

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2021-09-18 08:33
@henchsuen1984
[圖片]

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2021-09-18 08:33
@henchsuen1984
[圖片]

正弦半波電流引起的損耗,其平均功率并不等于平均電壓與平均電流的乘積,而是取瞬時功率在一個周期內的平均,及P瞬 = U瞬×I瞬;因此使用公式Pr = UF×Io 是錯誤的。

二極管模型:半導體器件的門檻電壓UT0,爬坡電阻為RT0(門檻電壓和爬坡電阻會在datasheet中出現),則器件在通過電流I = Im sinωt時,器件的正向通態電壓:

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2021-09-18 08:34
@henchsuen1984
正弦半波電流引起的損耗,其平均功率并不等于平均電壓與平均電流的乘積,而是取瞬時功率在一個周期內的平均,及P瞬 =U瞬×I瞬;因此使用公式Pr =UF×Io 是錯誤的。二極管模型:半導體器件的門檻電壓UT0,爬坡電阻為RT0(門檻電壓和爬坡電阻會在datasheet中出現),則器件在通過電流I=Im sinωt時,器件的正向通態電壓:

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2021-09-18 08:34
@henchsuen1984
[圖片]

推導得:

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2021-09-18 08:35
@henchsuen1984
推導得:[圖片]

顯然,當半導體器件控制角為0時,即在半個周波內全通時:

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2021-09-18 08:35
@henchsuen1984
顯然,當半導體器件控制角為0時,即在半個周波內全通時:[圖片]

有時候,參數表中也給出在指定條件下流過某一瞬態正向大電流時電力二極管的最大瞬時正向壓降。這個時候需要計算門檻電壓和爬坡電阻。

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2021-09-18 08:35
@henchsuen1984
有時候,參數表中也給出在指定條件下流過某一瞬態正向大電流時電力二極管的最大瞬時正向壓降。這個時候需要計算門檻電壓和爬坡電阻。

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2021-09-18 08:36
@henchsuen1984

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2021-09-18 08:36
@henchsuen1984
[圖片]

以圖中125℃曲線為例,在線性區畫直線向下延伸,與電壓軸的交點即為轉折電壓,見圖中紅色位置;取該直線的斜率即為爬坡電阻,RT0 = △I / △U,見綠色位置。

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2021-09-18 08:37
@henchsuen1984
以圖中125℃曲線為例,在線性區畫直線向下延伸,與電壓軸的交點即為轉折電壓,見圖中紅色位置;取該直線的斜率即為爬坡電阻,RT0 =△I/△U,見綠色位置。

斷態損耗:

功率半導體器件的dIF / dt取決于PN結存儲的電荷,其損耗為:

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2021-09-18 08:37
@henchsuen1984
斷態損耗:功率半導體器件的dIF/dt取決于PN結存儲的電荷,其損耗為:

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2021-09-18 08:37
@henchsuen1984
[圖片]

需要注意的是,反并聯拓撲中,反向電壓其實會被導通的管子鉗位到正向通態電壓UTM。在損耗在整流電路中需要注意。

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2021-09-23 08:46
@henchsuen1984
需要注意的是,反并聯拓撲中,反向電壓其實會被導通的管子鉗位到正向通態電壓UTM。在損耗在整流電路中需要注意。

斷態損耗的話,實測的數據是最準的,若非關心該數據,實際可以忽略

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2021-09-23 08:48
@henchsuen1984
斷態損耗的話,實測的數據是最準的,若非關心該數據,實際可以忽略

VFP正向峰值電壓,IFP正向峰值電流,均為時間t的函數,tfp正向恢復時間,需實測。

因此正弦半波時該損耗很小。高頻是需要注意

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2021-09-23 08:49
@henchsuen1984
[圖片]VFP正向峰值電壓,IFP正向峰值電流,均為時間t的函數,tfp正向恢復時間,需實測。因此正弦半波時該損耗很小。高頻是需要注意

VRP反向峰值電壓,IRP反向峰值電流,均為時間t的函數,tf電流下降時間。

同樣的,正弦半波時關斷損耗也很小。

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2021-09-23 08:49
@henchsuen1984
[圖片]VRP反向峰值電壓,IRP反向峰值電流,均為時間t的函數,tf電流下降時間。同樣的,正弦半波時關斷損耗也很小。

結論:在正弦半波工況下,總損耗非常接近于通態損耗,實際選型時,可選擇損耗等于通態損耗或通態損耗的1.1倍。

應該注意的是,當用在頻率較高的場合時,功率器件的發熱原因除了正向電流造成的通態損耗外,其開關損耗也往往不能忽略。當采用反向漏電流較大的功率器件時,其斷態損耗造成的發熱效應也不小。在選擇正向電流定額時,這些都應加以考慮。

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yujunice
LV.5
25
2021-10-19 14:46

期待后續精彩內容分享!!

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