功率二极管的损耗分析和选型原则

tip：参考网上资料，学习为主

1.二极管的分类
2.二极管的损耗组成
3.二级管的损耗分析
4.应用实例1.Flyback电源电路二极管损耗计算
5.实例应用2.BOOST电路二极管损耗计算
6.实例应用3.大功率整流桥二极管参数计算
7.选型原则

1.二极管的分类

1.1按照频率
最基本的分类方法。二极管根据其特性分为整流二极管、开关二极管、肖特基势垒二极管、齐纳二极管、用于高频的高频二极管。另外，作为保护元件一般使用齐纳二极管，但随着周边电路的精密化、应用微细化，被要求使用更高性能的保护元件 — TVS (Transient Voltage Suppressor)。

1.2根据应用分类

1、检波用二极管
　　就原理而言，从输入信号中取出调制信号是检波，以整流电流的大小（100mA）作为界线通常把输出电流小于100mA的叫检波。锗材料点接触型、工作频率可达400MHz，正向压降小，结电容小，检波效率高，频率特性好，为2AP型。类似点触型那样检波用的二极管，除用于检波外，还能够用于限幅、削波、调制、混频、开关等电路。也有为调频检波专用的特性一致性好的两只二极管组合件。
2、整流用二极管
　　就原理而言，从输入交流中得到输出的直流是整流。以整流电流的大小（100mA）作为界线通常把输出电流大于100mA的叫整流。面结型，工作频率小于KHz，最高反向电压从25伏至3000伏分A～X共22档。分类如下：①硅半导体整流二极管2CZ型、②硅桥式整流器QL型、③用于电视机高压硅堆工作频率近100KHz的2CLG型。
3、限幅用二极管
　　大多数二极管能作为限幅使用。也有象保护仪表用和高频齐纳管那样的专用限幅二极管。为了使这些二极管具有特别强的限制尖锐振幅的作用，通常使用硅材料制造的二极管。也有这样的组件出售：依据限制电压需要，把若干个必要的整流二极管串联起来形成一个整体。
4、调制用二极管
　　通常指的是环形调制专用的二极管。就是正向特性一致性好的四个二极管的组合件。即使其它变容二极管也有调制用途，但它们通常是直接作为调频用。
5、混频用二极管
　　使用二极管混频方式时，在500～10,000Hz的频率范围内，多采用肖特基型和点接触型二极管。
6、放大用二极管
　　用二极管放大，大致有依靠隧道二极管和体效应二极管那样的负阻性器件的放大，以及用变容二极管的参量放大。因此，放大用二极管通常是指隧道二极管、体效应二极管和变容二极管。
7、开关用二极管
　　有在小电流下（10mA程度）使用的逻辑运算和在数百毫安下使用的磁芯激励用开关二极管。小电流的开关二极管通常有点接触型和键型等二极管，也有在高温下还可能工作的硅扩散型、台面型和平面型二极管。开关二极管的特长是开关速度快。而肖特基型二极管的开关时间特短，因而是理想的开关二极管。2AK型点接触为中速开关电路用；2CK型平面接触为高速开关电路用；用于开关、限幅、钳位或检波等电路；肖特基（SBD）硅大电流开关，正向压降小，速度快、效率高。
8、变容二极管
　　用于自动频率控制（AFC）和调谐用的小功率二极管称变容二极管。日本厂商方面也有其它许多叫法。通过施加反向电压， 使其PN结的静电容量发生变化。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。通常，虽然是采用硅的扩散型二极管，但是也可采用合金扩散型、外延结合型、双重扩散型等特殊制作的二极管，因为这些二极管对于电压而言，其静电容量的变化率特别大。结电容随反向电压VR变化，取代可变电容，用作调谐回路、振荡电路、锁相环路，常用于电视机高频头的频道转换和调谐电路，多以硅材料制作。
9、频率倍增用二极管
　　对二极管的频率倍增作用而言，有依靠变容二极管的频率倍增和依靠阶跃（即急变）二极管的频率倍增。频率倍增用的变容二极管称为可变电抗器，可变电抗器虽然和自动频率控制用的变容二极管的工作原理相同，但电抗器的构造却能承受大功率。阶跃二极管又被称为阶跃恢复二极管，从导通切换到关闭时的反向恢复时间trr短，因此，其特长是急速地变成关闭的转移时间显著地短。如果对阶跃二极管施加正弦波，那么，因tt（转移时间）短，所以输出波形急骤地被夹断，故能产生很多高频谐波。
10、稳压二极管
　　是代替稳压电子二极管的产品。被制作成为硅的扩散型或合金型。是反向击穿特性曲线急骤变化的二极管。作为控制电压和标准电压使用而制作的。二极管工作时的端电压（又称齐纳电压）从3V左右到150V，按每隔10%，能划分成许多等级。在功率方面，也有从200mW至100W以上的产品。工作在反向击穿状态，硅材料制作，动态电阻RZ很小，一般为2CW型；将两个互补二极管反向串接以减少温度系数则为2DW型。

11、快速关断（阶跃恢复）二极管 (Step Recovary Diode)
　　它也是一种具有PN结的二极管。其结构上的特点是：在PN结边界处具有陡峭的杂质分布区，从而形成"自助电场"。由于PN结在正向偏压下，以少数载流子导电，并在PN结附近具有电荷存贮效应，使其反向电流需要经历一个"存贮时间"后才能降至最小值（反向饱和电流值）。阶跃恢复二极管的"自助电场"缩短了存贮时间，使反向电流快速截止，并产生丰富的谐波分量。利用这些谐波分量可设计出梳状频谱发生电路。快速关断（阶跃恢复）二极管用于脉冲和高次谐波电路中。
12、肖特基二极管 （Schottky Barrier Diode）
　　它是具有肖特基特性的"金属半导体结"的二极管。其正向起始电压较低。其金属层除材料外，还可以采用金、钼、镍、钛等材料。其半导体材料采用硅或砷化镓，多为N型半导体。这种器件是由多数载流子导电的，所以，其反向饱和电流较以少数载流子导电的PN结大得多。由于肖特基二极管中少数载流子的存贮效应甚微，所以其频率响仅为RC时间常数限制，因而，它是高频和快速开关的理想器件。其工作频率可达100GHz。并且，MIS（金属－绝缘体－半导体）肖特基二极管可以用来制作太阳能电池或发光二极管。
13、瞬变电压抑制二极管
　　TVP管，对电路进行快速过压保护，分双极型和单极型两种，按峰值功率（500W－5000W）和电压（8.2V～200V）分类。

功率二极管是二极管的一类，是一种简单的半导体器件。与普通二极管一样，功率二极管具有两个端子并沿一个方向传导电流。

2.二极管的损耗组成

二极管损耗由以下三部分组成：

2.1 通态损耗Pc
在二极管处于正向导通的情况下，通过二极管的正向压降与正向电流的积，即称为通态耗损。

2.2.截止损耗Pb
二极管反向截止时，由反向漏电流Ir和反向截止电压Vr引起的损耗。

2.3.开关损耗Ps
二极管执行开和关动作时产生的损耗。由两部分组成，

（1）是二极管从截止状态到导通状态时的开通损耗Pon；
（2）是二极管从导通状态到反向截止状态时的关断损耗Poff。

而Poff又由二极管关断时ta反向恢复期间损耗Poffa和tb反向恢复期间损耗Poffb两部分组成。

2.4.总损耗Pd

总损耗PD=Pc+Pb+Ps

3.二级管的损耗分析

3.1通态损耗Pc

Pc计算：以二极管电流iF（t）为周期三角波为例，计算Pc。

其中：
Ton ：二极管导通时间
T ：电流周期
IP：峰值电流
IF（AV）：平均电流
规定：占空比D=Ton/T那么，iF(t)=IP(1-t/ton)
t=0-ton
iF(t)=0 t=ton-T

如上图的VF-IF特性，可以把该曲线近似为直线。曲线的斜率为rD，即二极管的动态内阻，VF0为二极管起始电压。
那么：VF（t)=VF0+rD×iF(t)二极管在一个周期内的损耗：

结论，周期三角波的二极管通态损耗公式为：

一般，Vf0、rD的参数会在手册中标明。

如果没有，rD:在电流较大时（≥1A），VF-IF曲线可近似看做为直线。rD一般只有几毫欧到几十毫欧。可以通过VF-IF曲线近似计算rD。

3.2截止损耗Pb

Pb=Vr*Ir

公式说明：

1)PN结二极管(FRD、STD类)
常温(25“C)时:IR基本小于1uA，Pb很小;
高温(如:125C)时，IR也在50uA以下，Pb最多几十mW。

2)肖特基二极管
常温(25C)时:IR在几十uA，由于VR小(≤300V)，Pb可忽略。
高温时(100°℃)时:常用Si基肖特基二极管IR在几mA-几十mA级，
如:5A40VSKY，IR=5mA，Pb=200mW。Pb的影响就大了。对于Pb，关注高温下肖特基类二极管的情况。

3.3开关损耗Ps
（1）是二极管从截止状态到导通状态时的开通损耗Pon；
（2）是二极管从导通状态到反向截止状态时的关断损耗Poff。
而Poff又由二极管关断时ta反向恢复期间损耗Poffa和tb反向恢复期间损耗Poffb两部分组成。

tfr：正向电压恢复时间
trr：反向恢复时间
VFR：正向恢复最大电压
IRRM：最大反向恢复电流
VF：平均电流下的正向压降
VRR：反向恢复电压
diF/dt：在开通和关断时的电流变化率
Qrr：存储电荷（由外电路决定，假设相等）

把图2，开通过程的电流和电压波形进行理想化处理，得到图3的波形。

把图2的关断时刻电流和电压波形理想化处理，得到图4的波形。

ta：电流过零点到最大反向电流IRRM的时间。扫除存储电荷的时间。
tb：从IRRM到经过0.9IRRMA点）与0.25IRRM(B点）两点的直线与电流为零直线的交点直接所对应的时间。
VRR：反向恢复电压。
tb/ta：软度因子。反映二极管反向恢复特性的软硬程度。

开关损耗PS等于开通损耗Pon 和关断损耗Poff 的和。

4.应用1.Flyback电源电路二极管损耗计算

DCM二极管损耗计算公式

结论：同样规格的电源，使用肖特基二极管的损耗比快恢复二极管的损耗低。

5.应用2.BOOST电路二极管损耗计算

以BOOST电路输出电压较高（如PFC电路）、输出功率较大的场合为例。输出二极管为超快恢复二极管或SIC肖特基二极管。由于二极管在关断时要承受高反压（=Vo），开通时有较大的浪涌电流，开关损耗Ps计算公式先把Pon和Poffb考虑进来。该电路里，二极管反向恢复电压始终等于Vo。为便于计算，我们把二极管电流设定为平均电流即输出电流Io.。

结论：
对于快恢复二极管，损耗只计算Pc和Poffb即可。
开关损耗比较大。

6.实例应用3.大功率整流桥二极管参数计算

假定功率因数cos0=0.8，发电机输出线电压有效值为 550V，三相整流桥输出电压计算
公式:
Ua=1.2*Uab=660V(满载情况下系数按1.2 计算，Uab为发电机输出额定线电压)。
按照发电机每支路额定输出功率 150kW，整流桥输出额定电流:Ia=P/1.05Ud=216A;

①根据二极管导通损耗计算公式:

Pv=Vr0IAv+rTF2*I2AT
其中:
P:二极管导通损耗;
IAv:平均导通电流:
V0:二极管阈值电压;
rT：二极管斜率电阻;
F:波形系数(IRMs/IAv)
根据 MZS120025105 手册可知，rr=0.56m2，V0=0.8V，在不考虑均流影响的情况下，三相相位按120°计算则F2=3。
假定功率因数 cos0=0.8，平均导通电流:

对于三相整流器的单二极管来说，IRMs=IAv/3=72A。

②二极管的截止损耗

一般对于二极管来说，常温的时候Ir 基本非常小，所以截止损耗 Pd基本上可以忽略。

例如，MZS120025105 的额定反向重复峰值电压2500V 下的反向恢复电流峰值Ir=0.5mA。

Pb=25000.5103=1.25W

③二极管的开关损耗(二极管执行开关动作时产生的损耗，两部分组成 Psw=Pon+Poff)

Pon=1/2Ifv(Vfr-Vf)tfrf

其中，Vfr:正向恢复最大电压=1.52V;Vf平均电流下的正向压降=0.8V;tfr:正向电压恢复时间=300ns:f:开关频率=1133Hz，则：

Pon=0.572(1.52-1.0)30010^91133=8.8mW
Poff=1/4VrrIrrmtr*f

其中 Vr:反向电压=2500V;Irrm:反向峰值电流 20mA🇹🇷反向恢复时间=300ns。则:

Poff=0.2525002010-330010-91133=4.25mW
Psw=Pon+Poff=8.8+4.25=13.05mW

单个二极管的总功耗 Pd=Pv+Pb+Psw=66.3+1.25+0.01305=67.56W，单个整流桥的损耗为67.56*6=405.36W。

7.选型原则

7.1二极管的总损耗主要来自通态损耗和开关损耗。
7.2肖特基二极管的通态损耗和开关损耗都优于快恢复二极管，优先选择。
7.3当温度高时(100C)，肖特基二极管的截止损耗的影响必须考虑。
7.4对于快恢复二极管，要降低开关损耗，应选择trr小的，但trr小，Vp就增加，所以，对损耗的影响，要折中考虑。一般对于几十KHZ的电源，HER(75ns)的产品就可以了。