功率二极管基础及其功耗计算

功率二极管是电力电子线路最基本的组成单元，他的单向导电性可用于电路的整流、箝位、续流。
正向偏置（Forward Bias）：二极管的阳极侧施加正电压，阴极侧施加负电压，这样就称为正向偏置，所加电压为正向偏置。
反向偏置（Reverse Bias）：在阳极侧施加相对阴极负的电压，就是反向偏置，所加电压为反向偏置。

下面这篇博客依次介绍了功率二极管的基础，二极管的发热和温度计算，功率二极管功耗的全计算过程。

功率二极管基础

二极管电流公式：



注意的参数：





Forward-bias（正向偏置恢复时间）



影响条件:
正向电流（电流越大反向时间越长）
反向电压（电压越小反向时间越长）
电流变化速度，速度越快减小恢复时间却会加长存储时间
结温越高同时增加恢复时间和存储时间
reverse-bias（反向偏置）



影响条件:
正向电流（电流越大正向电压越大）
电流脉冲上升时间（脉冲越陡正向电压越大）
温度影响不大

综合整个过程




计算结温过程（对于脉冲电流的计算方法）







        

精确计算二极管发热和温度

博主注：这些计算都是有适用条件的（大电流的功率二极管一定要算，一般的二极管就不用算了），所以还没有深入浅出的搞清楚计算的界限。

拟合用的是Mathcad。
计算二级管的散热情况
在设计功率电源的时候，二级管一般损耗比较大，而且为了能够更加精确的去分析，我们来看一下一般的计算过程。
Losses due to forward voltagedrop（正向功耗）
P.f=V.f*I.o
V.f：正向导通电压
I.o：输出电流
Losses due to diode leakage current(反向功耗)
P.r=V.r*I.r
V.r：反向电压
I.r：反向电流
我们假设电路为：



然后把参数罗列出来计算



然后可以计算出来：



我们可以得到什么结论呢：二级管烧掉了。这种逻辑在于，结温直接从85度环境温度上升到半导体的极限150摄氏度。



这里我们假设二级管直接按照最大的热阻和最大功耗，这是有问题和值得思量的，现在我们换种思路：



我们可以发现，二级管其实并不会坏。问题就集中在于二级管的模型没有建立好。
建立模型很重要，如果按照单个最大值来分析，我们面临的问题是把它的范围放得很大，对于比较临界的问题来说，基本把可以用的元器件排斥在外了。



因此我们需要仔细建立模型，正向电压的过程如下：
蓝色为从图中抓取的数据，红色为我们知道的PN结模型，下面一个红色的为曲线拟合过程：





结果如下：



反向电流也是同样地：



这些做完以后我们可以很精确的知道，温度，电压这些对于管子的实际影响了。


        
功率二极管的功耗计算

前面关于功率二极管，基础，热阻，正向压降都已经涉及到了。在这里需要补充全计算过程：





正向压降功耗：
算法1：
P.f=V.f*I.o
V.f：正向导通电压
I.o：输出电流



算法2：
Vf=Vo+If*Rs
Pf=Vo*If+Rs*If^2



反向电流功耗：
这个值不太好估计，因为Vr也在变化，因此我建议以实测为主：



实测：



然后可测得电压下降波形进行计算。
漏电流功耗：
P.r=V.r*I.r  V.r：反向电压 I.r：反向电流




作者：yulzhu