了解二極管反向恢復(fù)在D類放大器中的影響

本文借助SPICE仿真，探討了二極管反向恢復(fù)對D類放大器性能的影響。

當(dāng)D類放大器的開關(guān)頻率與諧振頻率不完全相同時，開關(guān)需要在其ON周期的一部分時間內(nèi)傳導(dǎo)負(fù)電流。正如我們在上一篇文章中所了解到的，BJT實(shí)現(xiàn)需要反并聯(lián)二極管為這些負(fù)電流提供路徑。一些MOSFET實(shí)現(xiàn)也使用反并聯(lián)二極管，但不一定出于同樣的原因。

然而，當(dāng)使用反向并聯(lián)二極管時，一種稱為二極管反向恢復(fù)的現(xiàn)象可能會引發(fā)問題。在本文中，們將討論二極管反向恢復(fù)如何以及在何種情況下影響D類放大器的性能。本文將涵蓋很多內(nèi)容：我們將研究D類放大器在其諧振頻率以上和以下的工作情況，并將使用理論解釋和LTspice模擬來研究。

在我們深入之前，讓我們回顧一些必要的一般知識。

什么是二極管反向恢復(fù)？

從基本的電子學(xué)課程中，我們知道P-N二極管的I-V特性是呈指數(shù)函數(shù)的。請注意，這種指數(shù)關(guān)系描述了設(shè)備在平衡條件下的行為。

在從正向偏置到反向偏置的過渡過程中，由于存儲在設(shè)備中的少數(shù)電荷發(fā)生變化，二極管的行為偏離了指數(shù)特性。我們不會詳細(xì)介紹操作的物理細(xì)節(jié)；這里的關(guān)鍵點(diǎn)是在二極管實(shí)際關(guān)閉之前，一些反向電流會通過二極管。需要這個反向電流來去除存儲在二極管P-N結(jié)附近的少數(shù)電荷。

正向電流降至零的瞬間與反向電流降至其最大值的25%的瞬間之間的時間間隔稱為反向恢復(fù)時間。根據(jù)材料類型、摻雜水平和結(jié)構(gòu)的不同，不同的二極管表現(xiàn)出不同的反向恢復(fù)特性。為了幫助您理解這一點(diǎn)，圖1比較了兩種不同二極管反向恢復(fù)特性：

一個緩慢而活潑的二極管（紅色曲線）。

快速軟恢復(fù)二極管（藍(lán)色虛線曲線）。

兩種不同的二極管表現(xiàn)出不同的反向恢復(fù)特性。

圖1 不同的二極管具有不同的反向恢復(fù)特性。圖片由Ichiro Omura等人提供

反向恢復(fù)如何影響開關(guān)模式電路

反向恢復(fù)電流會對開關(guān)式功率轉(zhuǎn)換器和開關(guān)式功率放大器的開關(guān)損耗產(chǎn)生重大影響。例如，考慮圖2中的降壓轉(zhuǎn)換器。

降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。

圖2:降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖。圖片由Steve Arar提供

降壓轉(zhuǎn)換器接收直流輸入電壓并將其降低到較低的直流電壓。在前半周期，開關(guān)（S1）閉合，干線電壓施加到電感器上。在此半周期中，二極管（D1）反向偏置。

當(dāng)S1在下半周期打開時，電感器試圖保持電流流動。這使二極管導(dǎo)通，提供所需的電流（上圖中的iD）。在這種情況下，電路中的節(jié)點(diǎn)A約為-0.7 V，由二極管的正向壓降決定。

當(dāng)S1閉合時，二極管從正向偏置轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚱?。然而，正如我們之前討論的，它不能立即這樣做。在它關(guān)閉之前，二極管能夠反向?qū)娏鳌?/p>

這導(dǎo)致S1閉合時電源與地之間短路。流經(jīng)該短路的大電流尖峰導(dǎo)致能量損失和電磁干擾。二極管反向恢復(fù)時間越長，功率損耗就越大。

讓我們將注意力轉(zhuǎn)回到D類放大器。圖3顯示了我們上一篇文章中研究的互補(bǔ)電壓開關(guān)配置。

帶反并聯(lián)二極管的互補(bǔ)電壓開關(guān)D類配置。

圖3. 互補(bǔ)電壓開關(guān)D類配置。圖片由Steve Arar提供

您可能已經(jīng)注意到圖3和圖2中的降壓轉(zhuǎn)換器之間存在一些相似之處。但是反向恢復(fù)的效果是否也相似呢？我們將在接下來的兩節(jié)中找出答案，這兩節(jié)將解釋當(dāng)D類放大器在諧振頻率以上或以下工作時，二極管反向恢復(fù)對其的影響。

在諧振頻率以上操作D類放大器

考慮一下，如果圖3中的放大器在其調(diào)諧電路的諧振頻率以上運(yùn)行會發(fā)生什么。當(dāng)開關(guān)頻率高于諧振頻率時，串聯(lián)LC電路充當(dāng)電感負(fù)載。因此，流經(jīng)負(fù)載的電流（iRF）滯后于施加到放大器節(jié)點(diǎn)A的方波（VA）的基波分量。圖4比較了這兩種電流。

在諧振頻率以上，電流滯后于電壓的基波分量。

圖4. 高于諧振頻率時，電流滯后于電壓的基波分量。圖片由Steve Arar提供

每個開關(guān)在其ON周期的一部分期間都會傳導(dǎo)負(fù)電流。由于NPN晶體管不能在反向（發(fā)射極到集電極）方向上傳導(dǎo)電流，因此反向并聯(lián)二極管為負(fù)電流提供了一條通路。

圖5(a)和圖5(c)分別顯示了通過晶體管Q1和Q2的電流。同樣，圖5(b)和圖5(d)顯示了通過二極管D1和D2的電流。

流經(jīng)每個晶體管和二極管的電流。

圖5. 當(dāng)放大器在諧振頻率以上工作時，流經(jīng)Q1（a）、D1（b）、Q2（c）和D2（d）的電流。圖片由Steve Arar提供

從這些波形中我們可以看到，當(dāng)我們在諧振頻率以上操作時，每個晶體管在相應(yīng)的反并聯(lián)二極管之后開啟。器件開啟順序?yàn)椋?/p>

考慮時刻t = t1，如圖5(d)和圖5(c)所示。在t = t1時，二極管D2從正向偏置變?yōu)榉聪蚱茫w管Q2導(dǎo)通以傳導(dǎo)輸出電流。由于它不能立即關(guān)閉，D2將從節(jié)點(diǎn)A向地吸收一些電流。圖6顯示了t = t1時反向恢復(fù)電流的方向，該電流在D2從正向偏置變?yōu)榉聪蚱脮r流過D2。

在t=t1時，二極管的反向恢復(fù)電流對輸出電流有貢獻(xiàn)。

圖6。在t = t1時，二極管的反向恢復(fù)電流對輸出電流有所貢獻(xiàn)。圖片由Steve Arar提供

通過D2的反向恢復(fù)電流與Q2傳導(dǎo)的正電流方向相同。本質(zhì)上，反向恢復(fù)電流成為D類放大器下開關(guān)應(yīng)該吸收的正電流的一部分。

這種情況與降壓轉(zhuǎn)換器的情況完全不同。在降壓轉(zhuǎn)換器中，反向恢復(fù)電流導(dǎo)致短路，產(chǎn)生從電源流向地的大電流尖峰。在這里，當(dāng)通過D2的反向電流不足以提供輸出電流時，Q2會導(dǎo)通，為輸出電流提供路徑。

但是，如果我們在調(diào)諧電路的諧振頻率以下操作放大器，會發(fā)生什么呢？讓我們來探索一下。

低于諧振頻率的D類放大器操作

當(dāng)D類放大器的開關(guān)頻率低于諧振頻率時，串聯(lián)LC電路充當(dāng)電容性負(fù)載。因此，負(fù)載電流（iRF）在節(jié)點(diǎn)A（VA）處領(lǐng)先于方波的基波分量。如圖7所示。

在諧振頻率以下，電流領(lǐng)先于電壓的基波分量。

圖7. 低于諧振頻率時，電流領(lǐng)先于電壓的基波分量。圖片由Steve Arar提供

每個開關(guān)在其ON周期的一部分中仍然傳導(dǎo)負(fù)電流，并且反并聯(lián)二極管再次為負(fù)電流提供路徑。圖8顯示了通過Q1（a）、D1（b）、Q2（c）和D2（d）的電流。

當(dāng)放大器在諧振頻率以下工作時，通過每個二極管和晶體管的電流。

圖8. 當(dāng)放大器在諧振頻率以下工作時，流經(jīng)Q1（a）、D1（b）、Q2（c）和D2（d）的電流。圖片由Steve Arar提供

正如我們即將看到的，上述波形需要一些調(diào)整，以考慮反向恢復(fù)效應(yīng)。

對于低于諧振頻率的操作，設(shè)備開啟順序?yàn)椋?/p>

每個晶體管在其自身的反向并聯(lián)二極管之前以及另一個開關(guān)的反向并聯(lián)二極管之后被打開。這導(dǎo)致了一種類似于我們在降壓轉(zhuǎn)換器中看到的情況——在電流從二極管轉(zhuǎn)移到另一個開關(guān)的晶體管時，由于二極管的反向恢復(fù)，電流尖峰從電源流向地。圖9顯示了當(dāng)二極管D1從正向偏置轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚱脮r的反向恢復(fù)電流路徑。

當(dāng)D1從正向偏置轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚱脮r，流經(jīng)D1和Q2的電流尖峰。

圖9。當(dāng)D1從正向偏置轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚱脮r，流經(jīng)D1和Q2的電流尖峰以綠色顯示。圖片由Steve Arar提供

為了更好地理解這一現(xiàn)象如何影響性能，讓我們運(yùn)行一些模擬。

在LTspice中模擬D類放大器

圖10展示了我將用來探索互補(bǔ)電壓開關(guān)D類放大器開關(guān)動態(tài)的LTspice圖。

LTspice原理圖用于互補(bǔ)電壓切換D類放大器。

圖10. 圖3中D類放大器的LTspice原理圖。圖片由Steve Arar提供

請注意，上述原理圖僅用于模擬目的，并不旨在為實(shí)際的放大器推薦組件。選擇這些組件和參數(shù)只是為了展示輸出設(shè)備的開關(guān)行為，例如反向恢復(fù)效應(yīng)。

輸出LC電路調(diào)諧至1MHz。使用三個10H電感器（L2、L3和L4）以及以下k語句模擬變壓器：

k 語句指定變壓器繞組之間的耦合系數(shù) (k)。耦合系數(shù)可以在 0 和 1 之間變化，其中 1 表示沒有漏電感的理想情況。如上所示，此模擬的 k = 1。

.ic指令可以在原理圖中的k語句下方找到。它指定了初始條件——在這種情況下，是電感器的初始電流。

圖11中的多窗格圖顯示了當(dāng)開關(guān)頻率與諧振頻率相同時的指定電流。其解釋如下：

頂部窗格：加載當(dāng)前。

中間窗格：上開關(guān)電流，包括通過Q1（藍(lán)色波形）和D1（青色）的電流。

底部窗格：較低的開關(guān)電流，包括通過Q2（洋紅色）和D2（黃色）的電流。

在LTspice中模擬負(fù)載電流和開關(guān)電流。開關(guān)頻率和諧振頻率相等。

圖11（點(diǎn)擊放大）負(fù)載電流（頂部）；晶體管Q1和二極管D1的電流（中間）；晶體管Q2和二極管D2的電流（底部）。圖片由Steve Arar提供

當(dāng)開關(guān)頻率等于諧振頻率時，上下開關(guān)不需要通過負(fù)電流。因此，整個電流由晶體管提供。如上所示，二極管不導(dǎo)通。

我們現(xiàn)在有了理想操作的圖片。讓我們看看當(dāng)開關(guān)頻率和諧振頻率不相等時，我們的仿真結(jié)果是什么樣子。再次，我們將從檢查諧振頻率以上的操作開始。

在諧振頻率以上的操作的LTspice仿真

通過將諧振頻率保持在1 MHz，并將輸入頻率更改為1,010 kHz（1.01 MHz），我們獲得了圖12中的波形。從上到下，這些波形分別是：

輸出電壓。

負(fù)載電流。

電流通過Q1（洋紅色）和D1（青色）。

電流通過Q2（藍(lán)色）和D2（黃色）。

在LTspice中模擬輸出電壓、負(fù)載電流和開關(guān)電流。開關(guān)頻率高于諧振頻率。

圖12（點(diǎn)擊放大）從上到下依次為：輸出電壓、負(fù)載電流、晶體管Q1和二極管D1的電流、晶體管Q2和二極管D2的電流。圖片由Steve Arar提供

例如，讓我們檢查大約966.5μs的開關(guān)動態(tài)。在這個時刻，輸出端的方波被驅(qū)動到正電源軌。由于在t=966.5μs時輸出電流為負(fù)，二極管D1導(dǎo)通以傳導(dǎo)電流。當(dāng)電流變?yōu)檎龝r，晶體管傳導(dǎo)電流，二極管關(guān)閉。

圖13提供了二極管斷開瞬間相關(guān)電流的放大視圖。負(fù)載電流顯示為紅色，D1的電流顯示為藍(lán)綠色，Q1的電流顯示為洋紅色。

負(fù)載電流、D1電流和Q1電流的放大視圖。

圖13（點(diǎn)擊放大）負(fù)載電流（紅色）、二極管D1的電流（青色）和晶體管Q1的電流（洋紅色）。圖片由Steve Arar提供

從大約t = 966.530微秒到t = 966.550微秒，二極管提供負(fù)輸出電流。在此之后，由于反向恢復(fù)效應(yīng)，二極管的電流在短時間內(nèi)變?yōu)樨?fù)值，從而為正輸出電流做出貢獻(xiàn)。

在t=966.560μs后不久，二極管反向電流降至零，晶體管開啟以提供正輸出電流。從圖12中可以看出，當(dāng)輸出電流從D2轉(zhuǎn)移到Q2時，會發(fā)生類似的事件序列。

低于諧振頻率操作的LTspice仿真

我們最終的模擬仍然使用圖10中的D類放大器，諧振頻率仍為1 MHz。但是，輸入頻率現(xiàn)在是990 kHz。圖14顯示了模擬結(jié)果。

在LTspice中模擬輸出電壓、負(fù)載電流和開關(guān)電流。開關(guān)頻率低于諧振頻率。

圖14（點(diǎn)擊放大）從上到下依次為：輸出電壓、負(fù)載電流、晶體管Q1和二極管D1的電流、晶體管Q2和二極管D2的電流。圖片由Steve Arar提供

這些波形與圖8所附的理論討論一致。

例如，在t=987.6μs之前的某個時間，電流從D1轉(zhuǎn)移到Q2。然而，出現(xiàn)了電流尖峰。在圖15中可以更清楚地看到這些尖峰，圖15提供了相關(guān)電流（以及輸出電壓）的放大視圖。與圖12和圖14一樣，輸出電壓為棕色，D1的電流為青色，Q2的電流為藍(lán)色，負(fù)載電流為紅色。

反向恢復(fù)期間電流尖峰的放大視圖。圖中還顯示了電壓上的二極管。

圖15（點(diǎn)擊放大）展示了施加到調(diào)諧電路（棕色）的方波、負(fù)載電流（紅色）、二極管D1的電流（青色）和晶體管Q2的電流（藍(lán)色）。圖片由Steve Arar提供

在t=987.56μs之前，負(fù)載電流變?yōu)樨?fù)值。這將電流從Q1（未顯示）轉(zhuǎn)移到D1。接下來，隨著Q2的開啟，VOUT被驅(qū)動到地。然后，Q2可以提供輸出負(fù)電流。

當(dāng)從D1到Q2的過渡發(fā)生時，二極管從正向偏置變?yōu)榉聪蚱?。由于二極管的反向恢復(fù)電流，相當(dāng)大的電流流過D1和Q2。這會在波形中產(chǎn)生電流尖峰。當(dāng)電流從D2轉(zhuǎn)移到Q1時，會發(fā)生類似的事件序列。

那么，所有這些對D類放大器的性能意味著什么呢？讓我們通過檢查這些模擬的關(guān)鍵要點(diǎn)來結(jié)束這篇文章。

二極管反向恢復(fù)的影響：關(guān)鍵要點(diǎn)

當(dāng)我們在諧振頻率以上操作D類放大器時，反向恢復(fù)電流成為輸出電流的一部分。查看圖12的電壓圖（頂部窗格），我們還看到反向恢復(fù)期間二極管兩端的電壓相對較小。因此，反向恢復(fù)的功率損耗較低。

然而，如果D類放大器的開關(guān)頻率低于其諧振頻率，反向恢復(fù)就會成為一個問題。如圖15所示，反向并聯(lián)二極管會產(chǎn)生高反向恢復(fù)功率尖峰。這些電流尖峰會增加噪聲并損壞晶體管。

從圖15中還可以看出，當(dāng)發(fā)生反向恢復(fù)時，二極管兩端的電壓相對較大，導(dǎo)致反向恢復(fù)功率損耗較高。由于這些原因，不建議在諧振頻率以下或電容性負(fù)載下操作D類放大器。