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如何计算二极管的正向导通损耗?

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lahoward
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总工程师
  • 2018-11-3 08:32:40
如何计算二极管的正向导通损耗?

问题看似很简单,但实际上并不是那么简单,相信有很多人是迷糊的,有简单的用平均电流乘正向压降的、也有用积分计算的,等等,但怎么样计算才是比较合理的呢?

且听下回分解。
能源消耗
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总工程师
  • 2018-11-3 11:36:08
 
坐等LZ分享讲解。。关注
parachutes30
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高级工程师
  • 2018-11-3 17:10:27
 
拍的不好。但愿理解是对的。


4.PNG
YTDFWANGWEI
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版主
  • 2018-11-5 08:48:36
 
存在偷梁换柱之嫌疑,因为平均电流时候的二极管压降,与工作电流时候的二极管压降是不一样的
lahoward
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总工程师
  • 2018-11-6 08:37:36
 
版主英明,这正是我想问的问题,按照这位兄弟的算法,如何取二极管的压降值?
YTDFWANGWEI
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版主
  • 2018-11-6 08:45:56
 
二极管的正向导通损耗,大家本来都是估算,至于具体怎么计算,估计没人详细算过,看楼主怎么来推导
pualdelis
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高级工程师
  • 2018-11-4 15:53:46
 
坐等楼主解答
lahoward
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总工程师
  • 2018-11-6 08:55:27
 
我们先来复习如图所示的一个肖特基的二极管正向 V-I 曲线及与温度的关系,其实是什么二极管并不重要,正向特性曲线都差不多,并具有一下特点:
1)随温度升高,正向电压降降低
2)随电流增大正向电压降增大

这两条重要性质是一定要记住的。

012.jpg


lahoward
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总工程师
  • 2018-11-7 14:50:47
 
上述第一条二极管的正向压降 随温度升高,正向电压降降低” 的说法其实是不够严谨的,我们看如下正向特性的曲线,注意看虚线,虚线的纵坐标为正向电流,我们给它起个名称叫 Ic,横坐标为正向压降,从图中可以当看出,当实际电流小于Ic时正向压降随温度升高是降低的,而当电流值超过Ic时,正向压降随温度升高是增大的。

我们常用的普通硅二极管及肖特基二极管的Ic值是很大的,一般实际使用的电流值是不会超过Ic的,因此二极管随温度升高,正向电压降降低的说法是适用的,而碳化硅二极管的Ic值则是比较低的,实际使用电流往往是超过Ic的,因此“随温度升高,正向电压降降低” 不适用。


我们目前的讨论的是普通二极管或肖特基二极管,因此仍然采用二极管“随温度升高,正向电压降降低” 的规律。


080.jpg

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lahoward
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  • 2018-11-8 09:32:33
 
正向导通损耗与电流波形有很大的关系,我们先看矩形电流,如图所示:

0000.jpg

对于矩形电流波形,二极管的正向电压降是固定的,要么有要么没有,也就是说有电流的是时候,电压降为Vf, 没有电流的时候电压降为0,因此对于这种波形的计算损耗是最简单并且最容易理解的:

P = Vf *Iav

式中: Iav = 正向平均电流
Iav = Imax * D,
式中    D = 占空比
lahoward
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总工程师
  • 2018-11-13 09:24:15
 
如果是其他波形则不能用平均电流来计算了,问题是显而易见的,比如三角波,如图所示,随电流的变化,二极管的压降是在不断变化的。

080.jpg

在开关电源中,输出电流的波形更常见的是如下图这样的波形:

1a.jpg

或者

1b.jpg

这种波形怎么估算二极管的损耗呢?
lahoward
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  • 2018-11-13 15:15:34
 
对于非矩形波如何计算功耗呢?如图摘自 ST的超快恢复二极管 STTA1206DDIG 的数据手册,见左下角红色框中的计算公式:
STTA1206DDIG loss.jpg

P = Vt0 * IFav + rd * IF2(RMS)

式中:
Vt0、rd 见数据表。rd为动态电阻。

Vt0是怎么来的呢?
先在正向特性曲线中取一点IF(av),即正向电流工作电流的平均值,然后再曲线上取第二点,其值为 2IF(av),两点画一直线与 X 轴相交,此值为Vt0,如图:

Iav.jpg

注意此公式中的限制条件,峰值电流不能大于3倍的平均电流,否则误差很大。

功耗有两部分组成:平均电流算出的功耗 + 电流有效值算出的功耗。
YTDFWANGWEI
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  • 2018-11-13 16:15:21
 
两个点的选取,有什么要求?两个点位置不一样,Vt0是不一样的。
lahoward
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总工程师
  • 2018-11-13 16:29:35
 
第一点是工作电流的平均值,第二点取2倍的工作电流的平均值。
YTDFWANGWEI
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  • 2018-11-14 08:02:51
 
sorry,没看到图上面那行字。
lahoward
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总工程师
  • 2018-11-14 08:22:06
 
我们看一下电流有效值部分的损耗,如图是反激电源的输出部分,二极管上的电流波形如图所示,假设电流最大值为11.8A,最小值为4.0A,平均电流为负载上的电流,可测量也可计算其值为4.7A。计算的话需要知道占空比。
IFav.jpg

我们主要看电流有效值部分,根据梯形波的计算公式可知,电流有效值为:
公式.jpg
二极管的功耗为平均电流和Vt0相乘的功耗+电流有效值和动态电阻的产生的功耗,

因此电流有效值的功耗为:rd * IF2(rms) = rd * 40.96
rd为动态内阻,而电流平方后十分可观,可见,内阻的影响巨大不可忽略。



madaoping1988
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助理工程师
  • 2018-12-29 17:25:28
 
这么好的帖子竟然没人赞!
另外楼主,通常情况下肖特基的功耗计算不会给那个公式的,只有IF-VF曲线。如果电流平均值、有效值能算出来,那一般情况下如何估算损耗?
还有,有效值和平均值引起的损耗占比,各占比多少?
感谢!
lahoward
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总工程师
  • 2019-1-5 15:04:25
 
关于二极管的正向导通损耗要精确计算是比较困难的,主要是因为 VT0 需要作图,而动态电阻 rd 通常是未知,也就是在数据手册上很少见到。VT0 作图还是有些困难的,由于电流平均值和有效值不难测量,而二极管的Vf 曲线随温度变化而变化,损耗的精确计算也没有太大的实际意义,个人意见,在二极管的V-F曲线上以电流平均值的切线画直线求得VT0。

按12楼的已知条件计算损耗: (设 VT0 = 0.45V)

P = Vt0 * IFav + rd * IF2(RMS)
   = 0.45*4.7 + 0.029* 6.4 = 2.12 + 0.186 = 2.30W


动态电阻的损耗占 0.186/2.12 ~ 9%


可见平均电流与VT0的损耗为主要损耗,动态电阻引起的损耗约为 9%。


由以上计算可知如采用平均电流乘正向压降(压降取V-I 曲线上的某点)则会大大的高估损耗。
madaoping1988
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助理工程师
  • 2019-1-8 09:14:54
 
感谢楼主回复。还有一个问题,您所提到的公式中用到了动态电阻,关于这个电阻的值如何选取?是在V-I曲线中选择平均电流点做切线看ΔU/ΔI吗?


lahoward
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总工程师
  • 2019-1-8 09:19:55
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若手册上上给出动态电阻数值,则万事大吉,但似乎很少见到,则唯一的选项就是在V-I曲线中在平均电流点做切线看ΔU/Δ,其他资料中也见过这样计算动态电阻。
madaoping1988
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助理工程师
  • 2019-1-8 09:50:00
  • 倒数9
 
好的,感谢楼主耐心指导!
lahoward
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总工程师
  • 2019-1-8 09:57:16
  • 倒数8
 
哪里谈得上指导,互相探讨,互帮互学。
madaoping1988
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助理工程师
  • 2019-1-8 10:10:38
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楼主太谦虚了,学无止境,向前辈学习。
lyklyklyk110
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副总工程师
  • 2019-6-5 11:24:02
  • 倒数3
 
楼主您好,这里写到按12楼的已知条件计算损耗: (设 VT0 = 0.45V)
P = Vt0 * IFav + rd * IF2(RMS)
   = 0.45*4.7 + 0.029* 6.4 = 2.12 + 0.186 = 2.30W

这里为什么不是
P = Vt0 * IFav + rd * IF2(RMS)*IF2(RMS)
= 0.45*4.7 + 0.029* 6.4*6.4 = 2.12 + 1.19 = 3.31W
lahoward
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总工程师
  • 2019-6-5 13:02:14
  • 倒数2
 
哪有什么IF2,此处的2是平方,因此IF2就是IF平方。
lyklyklyk110
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LV8
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最新回复
  • 2019-6-6 11:04:37
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好的,对不起,没看清

sdsdsds
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高级工程师
  • 2018-12-30 07:49:06
 
好帖
Denson
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高级工程师
  • 2019-1-14 22:49:20
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受教了,刚好解答我的疑惑。
感谢分享!~

black_cheung
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LV8
副总工程师
  • 2019-1-15 10:37:16
  • 倒数5
 
写得不错,有空的时候好好读下
困惑
  • 困惑
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LV8
副总工程师
  • 2019-1-15 11:12:31
  • 倒数4
 
楼主分析的不错,平时基本也就估算一下,学习了
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