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  • 開關電源損耗之二極管的功率損耗解析
    • 發布時間:2023-07-17 19:56:39
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    開關電源損耗之二極管的功率損耗解析
    二極管的功率損耗
    二極管作為開關元件,MOSFET 導通時二極管無電流流過,斷開時電流流經回路2。因此,二極管的功率損耗同樣由傳導損耗和開關損耗組成。
    二極管的傳導損耗
    二極管的傳導損耗則在很大程度上取決于正向導通電壓(VF)。二極管通常比 MOSFET 損耗更大,二極管損耗與正向電流、VF 和導通時間成正比。
    由于 MOSFET 斷開時二極管導通,二極管的傳導損耗(PCOND(DIODE))近似為:
    PCOND(DIODE) = IDIODE(ON) * VF * (1 – D)
    式中,IDIODE(ON)為二極管導通期間的平均電流。
    二極管導通期間的平均電流為 IOUT,因此,對于 Buck 變換器,PCOND(DIODE)可以按照下式估算:
    PCOND(DIODE) = IOUT * VF * (1 – VOUT/VIN)
    與 MOSFET 功耗計算不同,采用平均電流即可得到比較準確的功耗計算結果,因為二極管損耗與 I 成正比。
    顯然,MOSFET 或二極管的導通時間越長,傳導損耗也越大。對于 Buck 變換器,輸出電壓越低,二極管產生的功耗也越大,因為它處于導通狀態的時間越長。
    二極管的開關損耗
    與 MOSFET 相同,二極管也存在開關損耗。這個損耗很大程度上取決于二極管的反向恢復時間(tRR),二極管開關損耗發生在二極管從正向導通到反向截止的轉換過程。
    當反向電壓加在二級管兩端時,正向導通電流在二極管上產生的累積電荷需要釋放,產生反向電流尖峰(IRR(PEAK)),極性與正向導通電流相反,從而造成 V × I 功率損耗,因為反向恢復期內,反向電壓和反向電流同時存在于二極管。
    下圖給出了二極管在反向恢復期間的 PN 結示意圖。
    二極管 功率損
    圖 二極管結反偏時,需要釋放正向導通期間的累積電荷,產生峰值電流 IRR(PEAK)
    了解了二極管的反向恢復特性,可以由下式估算二極管的開關損耗(PSW(DIODE)):
    PSW(DIODE) = 0.5 * VREVERSE * IRR(PEAK) * tRR2 * fS
    其中,VREVERSE是二極管的反向偏置電壓,IRR(PEAK)是反向恢復電流的峰值,tRR2是從反向電流峰值 IRR(PEAK)到恢復電流為正的時間。
    對于 Buck 變換器,當 MOSFET 導通的時候,VIN為 MOSFET 導通時二極管的反向偏置電壓。
    二極管的傳導損耗和開關損耗實測
    為了驗證二極管損耗計算公式,實測了 Buck 變換器中 PN 結的開關波形,如圖所示。
    二極管 功率損
    圖 Buck 變換器中 PN 結開關二極管的開關波形
    具體參數為:VIN = 10V、VOUT =3.3V,測得 IRR(PEAK) = 250mA、IOUT = 500mA、fS = 1MHz、 tRR2 = 28ns、VF = 0.9V。
    利用這些數值可以得到:
    二極管 功率損
    該結果接近于圖所示測量結果 358.7mW。考慮到較大的 VF和較長的二極管導通周期,tRR時間非常短,傳導損耗(PSW(DIODE))在二極管損耗中占主導地位。
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