開關(guān)電源損耗之二極管的功率損耗分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2023-07-07
二極管作為開關(guān)元件，MOSFET 導(dǎo)通時(shí)二極管無電流流過，斷開時(shí)電流流經(jīng)回路2。因此，二極管的功率損耗同樣由傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗組成。
二極管的傳導(dǎo)損耗
二極管的傳導(dǎo)損耗則在很大程度上取決于正向?qū)妷?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(dǎo)通時(shí)間成正比。
由于 MOSFET 斷開時(shí)二極管導(dǎo)通，二極管的傳導(dǎo)損耗(PCOND(DIODE))近似為：
PCOND(DIODE) = IDIODE(ON) * VF * (1 – D)
式中，IDIODE(ON)為二極管導(dǎo)通期間的平均電流。
二極管導(dǎo)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(jì)算不同，采用平均電流即可得到比較準(zhǔn)確的功耗計(jì)算結(jié)果，因?yàn)槎O管損耗與 I 成正比。
顯然，MOSFET 或二極管的導(dǎo)通時(shí)間越長，傳導(dǎo)損耗也越大。對于 Buck 變換器，輸出電壓越低，二極管產(chǎn)生的功耗也越大，因?yàn)樗幱趯?dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間越長。
二極管的開關(guān)損耗
與 MOSFET 相同，二極管也存在開關(guān)損耗。這個(gè)損耗很大程度上取決于二極管的反向恢復(fù)時(shí)間(tRR)，二極管開關(guān)損耗發(fā)生在二極管從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂沟霓D(zhuǎn)換過程。
當(dāng)反向電壓加在二級管兩端時(shí)，正向?qū)娏髟诙O管上產(chǎn)生的累積電荷需要釋放，產(chǎn)生反向電流尖峰(IRR(PEAK))，極性與正向?qū)娏飨喾矗瑥亩斐?V × I 功率損耗，因?yàn)榉聪蚧謴?fù)期內(nèi)，反向電壓和反向電流同時(shí)存在于二極管。
下圖給出了二極管在反向恢復(fù)期間的 PN 結(jié)示意圖。
圖 二極管結(jié)反偏時(shí)，需要釋放正向?qū)ㄆ陂g的累積電荷，產(chǎn)生峰值電流 IRR(PEAK)
了解了二極管的反向恢復(fù)特性，可以由下式估算二極管的開關(guān)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(fù)電流的峰值，tRR2是從反向電流峰值 IRR(PEAK)到恢復(fù)電流為正的時(shí)間。
對于 Buck 變換器，當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通的時(shí)候，VIN為 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)二極管的反向偏置電壓。
二極管的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗實(shí)測
為了驗(yàn)證二極管損耗計(jì)算公式，實(shí)測了 Buck 變換器中 PN 結(jié)的開關(guān)波形，如圖所示。
圖 Buck 變換器中 PN 結(jié)開關(guān)二極管的開關(guān)波形
具體參數(shù)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(shù)值可以得到：
該結(jié)果接近于圖所示測量結(jié)果 358.7mW。考慮到較大的 VF和較長的二極管導(dǎo)通周期，tRR時(shí)間非常短，傳導(dǎo)損耗(PSW(DIODE))在二極管損耗中占主導(dǎo)地位。
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