Durchlassverlustleistung einer Diode

Was beschreibt diese Größe?

Solange eine Diode in Durchlassrichtung leitet, fällt über ihr die Durchlassspannung VF ab, während der Strom IF hindurchfließt; die dabei momentan in Wärme umgesetzte Leistung ist Pinst = VF·IF. Leitet die Diode nur einen Teil einer periodischen Schaltperiode – die Einschaltdauer beziehungsweise der Duty Cycle D –, ergibt sich unter der vereinfachenden Annahme konstanter VF und IF während der Leitphase die über die Periode gemittelte Verlustleistung aus Pavg = Pinst·D.

Man kann sich das wie einen Wasserhahn vorstellen, der nur einen Teil der Zeit geöffnet ist: Die momentane Durchflussleistung ist bei geöffnetem Hahn konstant, aber die über eine längere Zeit gemittelte Leistung sinkt proportional zum Anteil der Zeit, in der der Hahn tatsächlich offen war.

Formel und Variablen

Pinst = VF · IF; Pavg = Pinst · D

• Pinst = VF · IF
• Pavg = Pinst · D
• D = Pavg / Pinst

Eingaben richtig wählen

Durchlassspannung VF und Durchlassstrom IF bestimmen die momentane Verlustleistung; die zusätzliche Einschaltdauer D zwischen 0 und 1 liefert die gemittelte Verlustleistung. VF ist last- und temperaturabhängig und sollte für den tatsächlichen Arbeitspunkt (IF und Sperrschichttemperatur) aus der Durchlasskennlinie im Datenblatt entnommen werden, nicht pauschal als Konstante über den gesamten Stromsollbereich angenommen werden.

So benutzt du den Rechner

Wähle die gesuchte Größe. Für die momentane Verlustleistung gibst du VF und IF ein; für die gemittelte Verlustleistung zusätzlich die Einschaltdauer D. Für eine Gesamtverlustabschätzung mehrerer gleichartiger, gleichzeitig leitender Dioden multipliziere Pavg anschließend mit der Anzahl der Dioden.

Schritt-für-Schritt-Beispiel

VF = 0,7 V und IF = 5 A ergeben eine momentane Verlustleistung von Pinst = 3,5 W. Leitet die Diode nur 50 % einer Schaltperiode – etwa als Freilaufdiode in einem Abwärtswandler bei 50 % Tastverhältnis –, folgt eine gemittelte Verlustleistung von Pavg = 3,5 W · 0,5 = 1,75 W.

Ergebnis und Einheiten verstehen

Eine gemittelte Verlustleistung von 1,75 W muss über das Diodengehäuse und einen eventuellen Kühlkörper an die Umgebung abgeführt werden; mit dem thermischen Widerstand RthJA lässt sich daraus über den verlinkten Sperrschichttemperatur-Rechner die resultierende Sperrschichttemperatur abschätzen.

Durchlassspannung wird in V angegeben, Durchlassstrom in A, Verlustleistung in W und die Einschaltdauer D dimensionslos zwischen 0 und 1 beziehungsweise als Prozentwert.

Durchlassverluste versus Schaltverluste

Die Gesamtverlustleistung einer Diode in einer schaltenden Anwendung setzt sich aus Durchlassverlusten (dieser Rechner) und Schaltverlusten zusammen. Durchlassverluste entstehen, solange die Diode leitet, und skalieren mit VF·IF·D. Schaltverluste entstehen beim Übergang zwischen Sperr- und Durchlasszustand, insbesondere durch die Sperrverzugsladung (Reverse Recovery), die beim schnellen Abschalten kurzzeitig einen Rückstrom verursacht. Bei niedrigen Schaltfrequenzen dominieren meist die Durchlassverluste, bei hohen Schaltfrequenzen im Bereich mehrerer hundert kHz oder MHz können die Schaltverluste überwiegen; deshalb werden dort bevorzugt Schottky-Dioden mit vernachlässigbarer Sperrverzugsladung eingesetzt.

Typische Anwendungen

Die Beziehung wird zur Verlustleistungsabschätzung von Gleichrichter-, Freilauf- und Schutzdioden in Netzteilen und Schaltreglern, zur Vorauswahl von Diodengehäuse und Kühlkörper sowie zum groben Wirkungsgradvergleich zwischen Silizium- und Schottky-Dioden verwendet, da Schottky-Dioden wegen niedrigerer VF geringere Durchlassverluste haben.

Annahmen, Grenzen und typische Fehler

Das Modell erfasst ausschließlich die Durchlassverluste bei angenommener konstanter Durchlassspannung und vernachlässigt die reale, mit Strom und Temperatur nichtlineare VF(IF,Tj)-Kennlinie. Sperrverzugsverluste beim Abschalten (Reverse Recovery), dynamische Schaltverluste beim Ein- und Ausschalten sowie Sperrstromverluste in Sperrrichtung sind nicht enthalten und müssen bei schnell schaltenden Anwendungen zusätzlich berücksichtigt werden.

Typischer Fehler: Ein häufiger Fehler ist, bei schnell schaltenden Anwendungen wie Schaltnetzteilen im hohen kHz-Bereich nur die Durchlassverluste zu betrachten, obwohl dort Schalt- und Sperrverzugsverluste einen erheblichen, teils dominierenden Anteil der Gesamtverluste ausmachen können. Ebenso wird VF manchmal als fester Wert unabhängig vom tatsächlichen Betriebsstrom verwendet, obwohl VF mit steigendem IF spürbar zunimmt.