分析肖特基二極體的耗散功率
肖特基二極體是電子設計中最常見的器件之一。根據應用的場合,工程師們更關注肖特基二極體的型別、正向電流、反向耐壓和開關時間等。相對來說,耗散功率(PowerDissipation)也是同等重要。
眾所周知,肖特基二極體具有單線導電性。根據半導體材料,分為矽二極體和鍺二極體;據應用場合,分為肖特基整流二極體、肖特基檢波二極體、開關二極體和穩壓二極體。
對於一些場合,比如電源整流,需要考慮耗散功率問題。耗散功率的定義:某一時刻電網元件或者全網有功輸入總功率與有功輸出總功率的差值。線上性條件下,導通的耗散功率計算比較簡單,PD=I2R,或者PD=U2/R。在開關狀態下,計算相對比較複雜。
肖特基二極體的耗散功率與允許的節溫有關,肖特基二極體允許的節溫是150℃,而鍺允許節溫85℃。半導體工作溫度是有限的,當實際的功率增大是,其節溫也將變大,當節溫達到150℃是,此時的功率就是耗散功率。當然,耗散功率與封裝大小也有一定的關係,通常封裝大點的器件,其耗散功率也相對大點,最常見的就是大功率器件擁有大體積,大面積的散熱金屬面。
一個具體型號的肖特基二極體其耗散功率與測試條件有關,比如測試環境溫度和散熱條件。通常情況下,測試出來的耗散功率是在25℃下。隨著環境溫度的升高,其耗散功率將減少,因為該條件下的導熱溫差變小,比如說在25℃下,某肖特基二極體耗散功率能達到1W,在75℃情況下,耗散功率可能變成0.4W。允許耗散功率與散熱條件有關,散熱條件越好,耗散功率越高,在同一環境溫度下,耗散功率為1W,加了散熱片之後,耗散功率可能變為1.7W。
表徵散熱措施的一個引數是熱阻。熱阻反映阻止熱量傳遞能力的綜合參量。熱阻跟電子學裡的電阻類似,都是反映“阻止能力”大小的參考量。熱阻越小,傳熱能力越強;反之,熱阻越大,傳熱能力越小。從類比的角度來看,熱量相當於電流,溫差相當於電壓,熱阻相當於電阻。其中,熱阻Rja:晶片的熱源結到周圍冷卻空氣的總熱阻,其單位是℃/W,表示在1W下,導熱兩端的溫差。
耗散功率與環境溫度有關,溫度越大,耗散功率越小,1N4448HWS耗散功率與環境溫度關係如下:
在設計過程中,人們更關注器件工作時的溫度,以確保在安全的工作範圍。以1N4448HWS為例,在環境溫度為25℃情況下,實際功率為100mW時,其溫度為25+625*0.1=87.5℃,其能正常工作;當實際功率為200mW時,其溫度為25+625*0.2=150℃,這時候已經達到節溫的最大溫度了,比較危險,應當避免。
肖特基二極體的傳熱方面,主要考慮PD和熱阻Rja,前者是耗散功率,實際工作不能超過這個數值,後者是傳熱阻力參量,放映不同肖特基二極體的傳熱能力。在使用肖特基二極體時,不但要考慮正向電流、反向耐壓和開關時間,還要多考慮耗散功率。