開關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
二極管作為開關元件，MOSFET 導通時二極管無電流流過，斷開時電流流經回路2。因此，二極管的功率損耗同樣由傳導損耗和開關損耗組成。
二極管的傳導損耗
二極管的傳導損耗則在很大程度上取決于正向導通電壓(VF)。二極管通常比 MOSFET 損耗更大，二極管損耗與正向電流、VF 和導通時間成正比。
由于 MOSFET 斷開時二極管導通，二極管的傳導損耗(PCOND(DIODE))近似為：
PCOND(DIODE) = IDIODE(ON) * VF * (1 – D)
式中，IDIODE(ON)為二極管導通期間的平均電流。
二極管導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 功耗計算不同，采用平均電流即可得到比較準確的功耗計算結果，因為二極管損耗與 I 成正比。
顯然，MOSFET 或二極管的導通時間越長，傳導損耗也越大。對于 Buck 變換器，輸出電壓越低，二極管產生的功耗也越大，因為它處于導通狀態的時間越長。
二極管的開關損耗
與 MOSFET 相同，二極管也存在開關損耗。這個損耗很大程度上取決于二極管的反向恢復時間(tRR)，二極管開關損耗發生在二極管從正向導通到反向截止的轉換過程。
當反向電壓加在二級管兩端時，正向導通電流在二極管上產生的累積電荷需要釋放，產生反向電流尖峰(IRR(PEAK))，極性與正向導通電流相反，從而造成 V × I 功率損耗，因為反向恢復期內，反向電壓和反向電流同時存在于二極管。
下圖給出了二極管在反向恢復期間的 PN 結示意圖。
圖 二極管結反偏時，需要釋放正向導通期間的累積電荷，產生峰值電流 IRR(PEAK)
了解了二極管的反向恢復特性，可以由下式估算二極管的開關損耗(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)是反向恢復電流的峰值，tRR2是從反向電流峰值 IRR(PEAK)到恢復電流為正的時間。
對于 Buck 變換器，當 MOSFET 導通的時候，VIN為 MOSFET 導通時二極管的反向偏置電壓。
二極管的傳導損耗和開關損耗實測
為了驗證二極管損耗計算公式，實測了 Buck 變換器中 PN 結的開關波形，如圖所示。
圖 Buck 變換器中 PN 結開關二極管的開關波形
具體參數為：VIN = 10V、VOUT =3.3V，測得 IRR(PEAK) = 250mA、IOUT = 500mA、fS = 1MHz、 tRR2 = 28ns、VF = 0.9V。
利用這些數值可以得到：
該結果接近于圖所示測量結果 358.7mW。考慮到較大的 VF和較長的二極管導通周期，tRR時間非常短，傳導損耗(PSW(DIODE))在二極管損耗中占主導地位。
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