二极管的特性及损耗分析

本文用于记录二极管特性及损耗分析。

1、二极管特性

1.1正向导通特性

二极管的伏安特性曲线与温度关系较大.

根据不同厂家的二极管制造工艺不同，二极管存在一个临界电流Ic。

当正向电流If大于临界电流Ic时，正向电压Vf与温度是负相关关系，相关系数a<1;

当正向电流If小于临界电流Ic时，正向电压Vf与温度是正相关关系,   相关系数a>1;

当正向电流If等于临界电流Ic时，正向电压Vf与温度变化无关。

不同工艺的功率二极管的临界电流Ic不同

对于肖特基，快恢复和双极性二极管来说，临界电流Ic一般较大，因此二极管常常工作在负相关区域；

对于SiC和GaN材质的二极管，临界电流Ic一般较小，因此二极管可能工作在正相关或者负相关区域；

对于工作在负相关区域的二极管（a < 1），当温度升高时，二极管的正向压降Vf降低，导致二极管的导通损耗降低，因此高温时的损耗小于低温的损耗。

	Temperature VS Forward Voltage
If < Ic	正相关
If = Ic	不随温度变化
If > Ic	负相关

以泰科天润的SiC二极管CRXU30D120G2为例，临界电流Ic为10A左右，当应用在正向电流大于临界电流的区域时，温度越高，正向压降越大。

以ST的快恢复二极管为例，由于临界电流较大，二极管工做在温度与导通压降负相关区域，温度越高，导通压降越低。

那么功率二极管能否多个并联呢？

个人认为，并联二极管的正向导通压降Vf是相同的。

当二极管工作在温度与正向压降正相关的区域时，一个二极管的温度升高，流过该二极管的正向电流反而降低，进而导致该二极管的损耗降低，温度降低。因此，此工况下的功率二极管是可以并联的。

当二极管工作在温度与正向压降负相关的区域时，一个二极管的温度升高，流过该二极管的正向电流增加，进而导致该二极管的损耗增加，温度进一步增加。因此，此工况下的功率二极管不可以并联的。

功率二极管的伏安特性曲线，可以等效为一个直流电源与电阻的串联，等效模型如下：

1.2 开关特性

在二极管的开通和关断过程中，一般存在开通损耗和关断损耗；

反向恢复电荷和反向恢复时间限制了二极管的最大开关速度；

肖特基二极管没有反向恢复损耗；

下图为英飞凌CoolMos内部寄生二极管的反向恢复特性，由图可知，反向恢复过程中，Vds的电压大致分为两个电压，trr分为tf和ts两个过程。

在高温环境下，二极管反向恢复时间trr会变长，反向漏电流Irm也会变大。

反向恢复电荷Qrr随着温度增加而变大。

2、损耗计算

2.1导通损耗

功率二极管的导通损耗由导通时的平均功率决定，考虑温度的计算公式为：

根据等效模型，可以得到导通损耗的另外一种表达形式为：
 

2.2反向恢复损耗

二极管关断时的反向恢复损耗为：