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  • 开关电源损耗之二极管的功率损耗解析
    • 发布时间:2023-07-17 19:56:39
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    开关电源损耗之二极管的功率损耗解析
    二极管的功率损耗
    二极管作为开关元件,MOSFET 导通时二极管无电流流过,断开时电流流经回路2。因此,二极管的功率损耗同样由传导损耗和开关损耗组成。
    二极管的传导损耗
    二极管的传导损耗则在很大程度上取决于正向导通电压(VF)。二极管通常比 MOSFET 损耗更大,二极管损耗与正向电流、VF 和导通时间成正比。
    由于 MOSFET 断开时二极管导通,二极管的传导损耗(PCOND(DIODE))近似为:
    PCOND(DIODE) = IDIODE(ON) * VF * (1 – D)
    式中,IDIODE(ON)为二极管导通期间的平均电流。
    二极管导通期间的平均电流为 IOUT,因此,对于 Buck 变换器,PCOND(DIODE)可以按照下式估算:
    PCOND(DIODE) = IOUT * VF * (1 – VOUT/VIN)
    与 MOSFET 功耗计算不同,采用平均电流即可得到比较准确的功耗计算结果,因为二极管损耗与 I 成正比。
    显然,MOSFET 或二极管的导通时间越长,传导损耗也越大。对于 Buck 变换器,输出电压越低,二极管产生的功耗也越大,因为它处于导通状态的时间越长。
    二极管的开关损耗
    与 MOSFET 相同,二极管也存在开关损耗。这个损耗很大程度上取决于二极管的反向恢复时间(tRR),二极管开关损耗发生在二极管从正向导通到反向截止的转换过程。
    当反向电压加在二级管两端时,正向导通电流在二极管上产生的累积电荷需要释放,产生反向电流尖峰(IRR(PEAK)),极性与正向导通电流相反,从而造成 V × I 功率损耗,因为反向恢复期内,反向电压和反向电流同时存在于二极管。
    下图给出了二极管在反向恢复期间的 PN 结示意图。
    二极管 功率损
    图 二极管结反偏时,需要释放正向导通期间的累积电荷,产生峰值电流 IRR(PEAK)
    了解了二极管的反向恢复特性,可以由下式估算二极管的开关损耗(PSW(DIODE)):
    PSW(DIODE) = 0.5 * VREVERSE * IRR(PEAK) * tRR2 * fS
    其中,VREVERSE是二极管的反向偏置电压,IRR(PEAK)是反向恢复电流的峰值,tRR2是从反向电流峰值 IRR(PEAK)到恢复电流为正的时间。
    对于 Buck 变换器,当 MOSFET 导通的时候,VIN为 MOSFET 导通时二极管的反向偏置电压。
    二极管的传导损耗和开关损耗实测
    为了验证二极管损耗计算公式,实测了 Buck 变换器中 PN 结的开关波形,如图所示。
    二极管 功率损
    图 Buck 变换器中 PN 结开关二极管的开关波形
    具体参数为:VIN = 10V、VOUT =3.3V,测得 IRR(PEAK) = 250mA、IOUT = 500mA、fS = 1MHz、 tRR2 = 28ns、VF = 0.9V。
    利用这些数值可以得到:
    二极管 功率损
    该结果接近于图所示测量结果 358.7mW。考虑到较大的 VF和较长的二极管导通周期,tRR时间非常短,传导损耗(PSW(DIODE))在二极管损耗中占主导地位。
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