開關(guān)電源損耗之二極管的功率損耗分析-KIA MOS管

二極管的功率損耗

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?V_F)。二極管通常比 MOSFET 損耗更大，二極管損耗與正向電流、V_F 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(P_COND(DIODE))近似為：

P_COND(DIODE) = I_DIODE(ON) * V_F * (1 – D)

式中，I_DIODE(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 I_OUT，因此，對(duì)于 Buck 變換器，P_COND(DIODE)可以按照下式估算：

P_COND(DIODE) = I_OUT * V_F * (1 – V_OUT/V_IN)

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(zhǎng)，傳導(dǎo)損耗也越大。對(duì)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(zhǎng)。

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(t_RR)，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(jí)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(I_RR(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 I_RR(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(P_SW(DIODE))：

P_SW(DIODE) = 0.5 * V_REVERSE * I_RR(PEAK) * t_RR2 * fS

其中，V_REVERSE是二極管的反向偏置電壓，I_RR(PEAK)是反向恢復(fù)電流的峰值，t_RR2是從反向電流峰值 I_RR(PEAK)到恢復(fù)電流為正的時(shí)間。

對(duì)于 Buck 變換器，當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通的時(shí)候，V_IN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(cè)

為了驗(yàn)證二極管損耗計(jì)算公式，實(shí)測(cè)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：V_IN = 10V、V_OUT =3.3V，測(cè)得 I_RR(PEAK) = 250mA、I_OUT = 500mA、f_S = 1MHz、 t_RR2 = 28ns、V_F = 0.9V。

利用這些數(shù)值可以得到：

該結(jié)果接近于圖所示測(cè)量結(jié)果 358.7mW。考慮到較大的 V_F和較長(zhǎng)的二極管導(dǎo)通周期，t_RR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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