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，詳細闡述了二極管的功率損耗來源、組成極其詳細的數學計算模型。

【關鍵詞】功率二極管；功率損耗

1.引言

當電流流過器件、設備等電路的時候，電能會被轉化為各種形式的能量，如熱、光、聲、動能等等。被轉化成的能量有的是有用的，對應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化為了無用的形式而被浪費掉了，則與這部分能量對應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）轉換電路中，當電流流過整流二極管的時候，電能將被轉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中，其等效于一個零正向壓降、零反向漏流、零開通關斷響應（無延遲）時間（開通和關斷損耗）的電子開關，其功耗為零。

對于二極管，人們所期望的狀態是達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，設計者無法完全消除正向壓降和反向漏電流，同樣的還有響應時間無法為零，這是由開通關斷過程中的電荷效應所決定的。

基于目前的技術，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時間。

3.二極管的動態特性

實際上不存在理想二極管，實際的二極管由于結電容效應的存在，在其通態和斷態相互之間切換時存在著一種暫態過程，這些暫態過程的電壓電流特性是隨時間變化的。

3.1 開通暫態過程

我們知道，當給二極管施加一個高于正向導通電壓（閾值）的電壓時，二極管就會導通。

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，在經過一個過沖電壓VFP 后才逐漸趨于穩定。對應的時間為正向恢復時間tfr。

3.2 關斷暫態過程

當給二極管施加一個反向電壓時并不是能立即關斷，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，從通態到關斷，從關斷到斷態。包含此全部過程的一個周期為其工作周期。一個工作周期內的功率損耗組成如下：

第一部分：靜態損耗：

（1）通態平均功率損耗：

相反地，如果我們能夠降低其中的某些參數值，則可以降低功率損耗。在所有的功率損耗中，通態損耗所占比例最大。因此降低通態損耗是降低總功率損耗的主要路徑和方法。

而對于通態損耗來講，正向電流由應用條件和最大額定決定，為恒定值，占空比也由應用條件決定，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品正向壓降低8%（針對單個二極管）左右在同等應用條件下，其對應的功率損耗也會相應降低8%（對于單個二極管）左右，整流橋的整個周期內由四個二極管工作，其功耗節省也將是單個的4倍達到32%。

5.總結

理想的二極管的數學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特性和通態斷態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，才能在選擇使用二極管的過程中明確關鍵參數，選擇更低功耗的二極管，實現能源的有效利用。

總體來講，應該選擇那些同等條件下，正向壓降低、反向漏電流小、恢復時間短的二極管。但這些特性往往不能同時具備，需要我們根據實際使用條件，優先考慮那些與主要損耗相對應的參數。

參考文獻

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術.北京：機械工業出版社， 2000.

[2]陳堅.電力電子技術.北京：高等教育出版社，2004

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