二極管的特性及損耗分析

本文用于記錄二極管特性及損耗分析。

1、二極管特性

1.1正向?qū)ㄌ匦?/p>

二極管的伏安特性曲線(xiàn)與溫度關(guān)系較大.

根據(jù)不同廠家的二極管制造工藝不同，二極管存在一個(gè)臨界電流Ic。

當(dāng)正向電流If大于臨界電流Ic時(shí)，正向電壓Vf與溫度是負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)a<1;

當(dāng)正向電流If小于臨界電流Ic時(shí)，正向電壓Vf與溫度是正相關(guān)關(guān)系,? ?相關(guān)系數(shù)a>1;

當(dāng)正向電流If等于臨界電流Ic時(shí)，正向電壓Vf與溫度變化無(wú)關(guān)。

不同工藝的功率二極管的臨界電流Ic不同

對(duì)于肖特基，快恢復(fù)和雙極性二極管來(lái)說(shuō)，臨界電流Ic一般較大，因此二極管常常工作在負(fù)相關(guān)區(qū)域；

對(duì)于SiC和GaN材質(zhì)的二極管，臨界電流Ic一般較小，因此二極管可能工作在正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)區(qū)域；

對(duì)于工作在負(fù)相關(guān)區(qū)域的二極管（a < 1），當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降Vf降低，導(dǎo)致二極管的導(dǎo)通損耗降低，因此高溫時(shí)的損耗小于低溫的損耗。

以泰科天潤(rùn)的SiC二極管CRXU30D120G2為例，臨界電流Ic為10A左右，當(dāng)應(yīng)用在正向電流大于臨界電流的區(qū)域時(shí)，溫度越高，正向壓降越大。

以ST的快恢復(fù)二極管為例，由于臨界電流較大，二極管工做在溫度與導(dǎo)通壓降負(fù)相關(guān)區(qū)域，溫度越高，導(dǎo)通壓降越低。

那么功率二極管能否多個(gè)并聯(lián)呢？

個(gè)人認(rèn)為，并聯(lián)二極管的正向?qū)▔航礦f是相同的。

當(dāng)二極管工作在溫度與正向壓降正相關(guān)的區(qū)域時(shí)，一個(gè)二極管的溫度升高，流過(guò)該二極管的正向電流反而降低，進(jìn)而導(dǎo)致該二極管的損耗降低，溫度降低。因此，此工況下的功率二極管是可以并聯(lián)的。

當(dāng)二極管工作在溫度與正向壓降負(fù)相關(guān)的區(qū)域時(shí)，一個(gè)二極管的溫度升高，流過(guò)該二極管的正向電流增加，進(jìn)而導(dǎo)致該二極管的損耗增加，溫度進(jìn)一步增加。因此，此工況下的功率二極管不可以并聯(lián)的。

功率二極管的伏安特性曲線(xiàn)，可以等效為一個(gè)直流電源與電阻的串聯(lián)，等效模型如下：

1.2 開(kāi)關(guān)特性

在二極管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中，一般存在開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗；

反向恢復(fù)電荷和反向恢復(fù)時(shí)間限制了二極管的最大開(kāi)關(guān)速度；

肖特基二極管沒(méi)有反向恢復(fù)損耗；

下圖為英飛凌CoolMos內(nèi)部寄生二極管的反向恢復(fù)特性，由圖可知，反向恢復(fù)過(guò)程中，Vds的電壓大致分為兩個(gè)電壓，trr分為tf和ts兩個(gè)過(guò)程。

在高溫環(huán)境下，二極管反向恢復(fù)時(shí)間trr會(huì)變長(zhǎng)，反向漏電流Irm也會(huì)變大。

反向恢復(fù)電荷Qrr隨著溫度增加而變大。

2、損耗計(jì)算

2.1導(dǎo)通損耗

功率二極管的導(dǎo)通損耗由導(dǎo)通時(shí)的平均功率決定，考慮溫度的計(jì)算公式為：

根據(jù)等效模型，可以得到導(dǎo)通損耗的另外一種表達(dá)形式為：
?

2.2反向恢復(fù)損耗

二極管關(guān)斷時(shí)的反向恢復(fù)損耗為：