牛人剖析“二極管”,很難得的資料!

1、功率二極管的正向導通等效電路

等效電路

牛人剖析“二極管”,很難得的資料!的圖1


說明:

二極管正向導通時可用一電壓降等效,該電壓與溫度和所流過的電流有關,溫度升高,該電壓變??;電流增加,該電壓增加。詳細的關系曲線可從制造商的手冊中獲得。

2、功率二極管的反向截止等效電路

等效電路

牛人剖析“二極管”,很難得的資料!的圖2


說明:

二極管反向截止時可用一電容等效,其容量與所加的反向電壓、環境溫度等有關,大小可從制造商的手冊中獲得。
3、功率二極管的穩態特性總結

功率二極管穩態時的電流/電壓曲線

牛人剖析“二極管”,很難得的資料!的圖3


說明:


二極管正向導通時的穩態工作點:

牛人剖析“二極管”,很難得的資料!的圖4
當Vin >>Vd 時,有:

牛人剖析“二極管”,很難得的資料!的圖5
而Vd對于不同的二極管,其范圍為 0.35V~2V。

二極管反向截止時的穩態工作點: Id≈0,Vd = -Vin

穩態特性總結:


是一單向導電器件(無正向阻斷能力);
為不可控器件,由其兩斷電壓的極性控制通斷,無其它外部控制;

普通二極管的功率容量很大,但頻率很低;

開關二極管有三種,其穩態特性和開關特性不同:
-- 快恢復二極管;
-- 超快恢復,軟恢復二極管;

-- 蕭特基二極管(反向阻斷電壓降<<200V,無反向恢復問題);

器件的正向電流額定是用它的平均值來標稱的,只要實際的電流平均值沒有超過其額定值,保證散熱沒問題,則器件就是安全的;

器件的通態電壓呈負溫度系數,故不能直接并聯使用;
目前的 SiC 功率二極管器件,其反向恢復特性非常好。
4、功率二極管的開通和關斷過程原理

開通和關斷過程實驗電路

牛人剖析“二極管”,很難得的資料!的圖6
二極管兩端的電壓和流過的電流:

牛人剖析“二極管”,很難得的資料!的圖7


開關過程原理:


開通過程[ t1 ~ t2 ]:

在 t1 前,二極管工作于截止狀態,t1 時,理想開關關斷,二極管的電流開始上升,對反偏二極管的結電容充電,使二極管的電壓也開始上升,因PN 結耗盡區的工作機理(詳細見半導體物理),使電壓的上升比電流的上升要慢很多,電壓正偏后,還會有一個幾伏-幾十伏的正向電壓峰值,然后才進入穩定的正向導通狀態。

關斷過程[ t3 ~ t5 ]:

在 t3 前,二極管工作于導通狀態,t3 時,理想開關開通,二極管的電流開始下降,因為少子電荷在正向電流降為零時仍存在,故二極管的電壓仍維持正偏,為使其承受反向阻斷的能力,必需將這些少子電荷抽掉,t3-t4 是抽走反向電荷的階段,在t4時刻,二極管可開始反向阻斷,t4-t5則是對二極管結電容(耗盡區)進行充電的過程,直到二極管完全承受外部所加的反向電壓,進入穩定的反向截止狀態。

實際的開通過程較短,分析時一般可忽略。通??芍环治鲫P斷過程,器件商會給出反向恢復時間和反向恢復電荷等參數。
5、功率二極管的功率損耗公式

導通損耗:

牛人剖析“二極管”,很難得的資料!的圖8

容性開通損耗:

牛人剖析“二極管”,很難得的資料!的圖9

開關損耗:

開通損耗:通??珊雎?。
關斷損耗:無公式,但存在。

對于低電壓輸出的開關電源,二極管的最大損耗是導通損耗。
6、功率二極管的選擇原則與步驟 

選擇原則


1、根據電源規格,設計的工作頻率等,合理選擇:
-- 高電壓應用,當選用快恢復和超快恢復二極管;

-- 15V 以下電源中的輸出整流二極管應盡可能選蕭特基;

2、選擇時,如工作電流較大,則在相同的器件額定參數下,
-- 應盡可能選擇正向導通電壓小的二極管;
-- 應盡可能選擇反響恢復快或軟恢復的二極管;

-- 應盡可能選擇蕭特基二極管。

選擇步驟


1、根據電源規格,計算所選變換器中二極管的穩態參數:
-- 反向阻斷電壓最大值;

-- 最大的正向電流平均值;

2、從器件商的DATASHEET 中選擇合適的二極管,可多選一些以便實驗時比較;

3、從所選的二極管的其它參數,如正向通態壓降,反向恢復時間等等,估算其工作時的最大損耗,與其它元器件的損耗一起,估算變換器的效率;

4、由實驗選擇最終的二極管器件。

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