為什么D類(lèi)放大器需要反并聯(lián)二極管

了解反并聯(lián)二極管如何保護D類(lèi)放大器免受電抗性負載和電感反沖的影響。

本系列的前一篇文章介紹了D類(lèi)放大器。在那篇文章中，我們主要忽略了非理想因素，以研究開(kāi)關(guān)式放大器工作的基本原理?，F在我們已經(jīng)介紹了基礎知識，我們可以從原理轉向實(shí)踐。

例如，我們之前假設放大器調諧電路的諧振頻率等于開(kāi)關(guān)頻率。實(shí)際上，諧振頻率和開(kāi)關(guān)頻率可能略有不同。為了使D類(lèi)放大器按預期工作，我們需要包括反并聯(lián)二極管。二極管還有助于防止損壞晶體管。

在本文中，我們將探討當開(kāi)關(guān)頻率略高于諧振頻率時(shí)，反并聯(lián)二極管在D類(lèi)操作中的作用。但首先，我們需要強調理想操作的一些關(guān)鍵特性。

帶有完美調諧LC電路的D類(lèi)放大器

考慮圖1中的互補電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器。我們之前在上一篇文章中首次看到了這種配置。

互補電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)配置。

圖1. 互補電壓切換配置。圖片由Steve Arar提供

假設晶體管充當理想開(kāi)關(guān)，節點(diǎn)A的電壓是方波（圖2）。

串聯(lián)LC電路輸入端的方波。

圖2:串聯(lián)LC電路輸入端的方波。圖片由Steve Arar提供

使用高Q調諧電路，只有方波的基波分量才能通過(guò)LC電路產(chǎn)生電流。其他分量會(huì )遇到很大的阻抗，無(wú)法產(chǎn)生諧波電流。在本文的其余部分，我們將只關(guān)注輸出電流的基波分量。

在諧振頻率下，Ls和Cs的電抗相互抵消，在節點(diǎn)A產(chǎn)生電阻性負載（RL）。假設開(kāi)關(guān)頻率與調諧電路的諧振頻率相匹配，則我們在開(kāi)關(guān)頻率下具有電阻性負載。這意味著(zhù)輸出電流與方波的基波分量同相。圖3顯示了基波分量的電流波形，證實(shí)了這一點(diǎn)。

基頻的正弦電流流過(guò)LC電路。

圖3. 基頻的正弦電流流過(guò)LC電路。圖片由Steve Arar提供

在(0, T/2)時(shí)間間隔內，上開(kāi)關(guān)(Q1)處于開(kāi)啟狀態(tài)。如圖3所示，在此間隔內輸出電流(iRF)始終為正。因此，晶體管Q1提供的電流也始終為正。

圖3中的輸出電流在(T/2, T)時(shí)間間隔內為負，此時(shí)下開(kāi)關(guān)(Q2)處于開(kāi)啟狀態(tài)。然而，如果我們考慮圖1中的電流方向，我們觀(guān)察到晶體管Q2所吸收的電流始終為正。

圖4的兩半分別說(shuō)明了流經(jīng)Q1和Q2的電流。圖4(a)顯示了流經(jīng)上開(kāi)關(guān)(Q1)的電流i1的波形。圖4(b)顯示了流經(jīng)下開(kāi)關(guān)(Q2)的電流i2。

流經(jīng)上開(kāi)關(guān)（a）和下開(kāi)關(guān)（b）的電流。

圖4 流經(jīng)上開(kāi)關(guān)（a）和下開(kāi)關(guān)（b）的電流。圖片由Steve Arar提供

總而言之，當開(kāi)關(guān)頻率與諧振頻率相匹配時(shí)，流經(jīng)晶體管的電流為正。這簡(jiǎn)化了D類(lèi)配置的電路實(shí)現。然而，在實(shí)際中，開(kāi)關(guān)頻率與諧振頻率并不完全相同。讓我們來(lái)研究一下這種失配對放大器性能的影響。

無(wú)功負載：在高于其諧振頻率的條件下運行D類(lèi)放大器

流經(jīng)電感器的電流滯后于其上的電壓90度。在D類(lèi)放大器中，即使稍微高于其諧振頻率，串聯(lián)LC電路也主要是電感性的。因此，輸出電流的基波分量滯后于方波（VA）的基波分量，如圖5所示。然而，由于電感LC組件與電阻負載串聯(lián)，相位差小于90度。

在諧振頻率以上，電流滯后于電壓的基波分量。

圖5. 高于諧振頻率時(shí)，電流滯后于電壓的基波分量。圖片由Steve Arar提供

方波和iRF之間的相位不匹配如何影響流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流？考慮圖6(a)和6(b)。圖6(a)顯示了通過(guò)上開(kāi)關(guān)的電流(isw1)；圖6(b)顯示了通過(guò)下開(kāi)關(guān)的電流(isw2)。這兩個(gè)電流結合產(chǎn)生圖5的iRF波形。

當D類(lèi)放大器在其諧振頻率以上工作時(shí)，流經(jīng)上開(kāi)關(guān)（a）和下開(kāi)關(guān)（b）的電流。

圖6.當D類(lèi)放大器在其諧振頻率以上工作時(shí)，流經(jīng)上開(kāi)關(guān)（a）和下開(kāi)關(guān)（b）的電流。圖片由Steve Arar提供

每個(gè)開(kāi)關(guān)在其ON周期的一部分中都會(huì )傳導負電流。圖1中的電路圖顯示，我們的開(kāi)關(guān)Q1和Q2是雙極結型晶體管。由于雙極結型晶體管不能傳導反向電流，我們通常使用反并聯(lián)二極管為負電流提供通路。這在圖7中進(jìn)行了說(shuō)明。

一種互補電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器，增加了反向并聯(lián)二極管以傳導負電流。

圖7. 帶有反向并聯(lián)二極管的互補電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器，用于傳導負電流。圖片由Steve Arar提供

二極管D1和D2充當開(kāi)關(guān)，在需要時(shí)自動(dòng)打開(kāi)，仔細想想，這很有趣。輸出電流由四個(gè)設備之一提供：Q1、Q2、D1或D2。這些設備按如下方式協(xié)同工作：

D1 通過(guò)了 isw1 的負部分。

Q1通過(guò)isw1的正部分。

D2 通過(guò)了 isw2 的負部分。

Q2 經(jīng)過(guò) isw2 的正部分。

圖8(b)和8(a)分別顯示了通過(guò)D1和Q1的電流。圖8(d)和8(c)顯示了通過(guò)D2和Q2的電流。

流經(jīng)四個(gè)半導體器件的電流。

圖8. 流經(jīng)Q1（a）、D1（b）、Q2（c）和D2（d）的電流。圖片由Steve Arar提供

請注意，圖8的組織方式為：圖（a）對應電流i1，圖（b）對應電流i2，圖（c）對應電流i3，圖（d）對應電流i4。它并不代表設備開(kāi)啟的順序。開(kāi)啟順序在圖上方的項目符號列表中給出：D1、Q1、D2、Q2。

除了為反向電流提供路徑外，反并聯(lián)二極管在D類(lèi)放大器中還發(fā)揮著(zhù)另一個(gè)關(guān)鍵作用。正如我們將在下一節中討論的那樣，它們可以保護晶體管免受電壓尖峰的影響。

二極管如何保護D類(lèi)放大器中的晶體管

回頭看圖7中的電路圖，節點(diǎn)A處可能出現較大的電壓尖峰。要理解這一點(diǎn)，請回憶一下電感器對其電流的快速變化有抵抗力。通過(guò)開(kāi)關(guān)動(dòng)作強制電感器電流快速變化，會(huì )在其端子間產(chǎn)生較大的電壓，這種現象稱(chēng)為電感反沖。

例如，假設我們在10納秒的時(shí)間間隔內突然將10毫亨電感器的電流從10毫安切斷至零。電感器將感應出-10,000伏的電壓，計算如下：

通常，電感電流使用機械開(kāi)關(guān)或晶體管進(jìn)行切換。對于機械開(kāi)關(guān)，電感反沖會(huì )使開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)之間的空氣電離，產(chǎn)生明亮的火花。對于晶體管，電感反沖產(chǎn)生的大電壓很容易損壞晶體管。

為了規避導致電感反沖的電流快速變化，我們使用二極管來(lái)創(chuàng )建電流路徑。D類(lèi)放大器中的反并聯(lián)二極管提供了這種功能。

例如，讓我們來(lái)檢查圖8中電流波形在t=T/2時(shí)的瞬時(shí)值。為方便起見(jiàn)，將感興趣的電流（i1和i4）復制到圖9中。

在t=T/2時(shí)，電流從上面的晶體管轉移到下面的二極管。

圖9：在t = T/2時(shí)，電流從上方晶體管轉移到下方二極管。圖片由Steve Arar提供

在切換發(fā)生之前，晶體管Q1會(huì )提供一些正電流。如果沒(méi)有反并聯(lián)二極管，切換會(huì )將該電流切斷至零，并在節點(diǎn)A處產(chǎn)生負電壓尖峰，從而損壞晶體管。

然而，有了D2，電壓尖峰不能低于-0.7V左右，這是由D2的正向壓降決定的。當節點(diǎn)A的電壓達到-0.7V時(shí)，D2導通，為電感電流創(chuàng )建了一條通路。同樣，當我們在t=T時(shí)關(guān)閉Q2時(shí)，D1導通，為電感電流提供了一條通路。

MOSFET開(kāi)關(guān)

我們也可以使用MOSFET代替雙極結型晶體管來(lái)實(shí)現D類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)。圖10顯示了功率MOSFET的截面。

N型溝道功率MOSFET的橫截面。

圖10 N-channel功率MOSFET的結構。圖片由IXYS提供

利用這種結構，電流垂直流過(guò)硅片。在晶片的底部，我們有金屬化漏極連接。在晶片的頂部，我們有金屬化的源極連接和多晶硅柵極。

當漏源電壓為正時(shí)，P-N-和P-N+結反向偏置。在這種情況下，足夠大的柵極到源極電壓在柵極下方形成溝道并且導通晶體管以將電流從漏極傳導到源極。然而，如圖所示，在P和N區域之間產(chǎn)生了寄生二極管。

這種二極管被稱(chēng)為體二極管，出現在源極和漏極端子之間。當漏極-源極電壓為負時(shí)，本體二極管導通并將電流從源極傳導到漏極。不管柵極到源極電壓如何，都會(huì )發(fā)生這種情況。

由于本體二極管，電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器的MOSFET實(shí)現可以在不使用外部反并聯(lián)二極管的情況下工作。雖然MOSFET通過(guò)反向電流而沒(méi)有損壞的風(fēng)險，然而，我們有時(shí)仍然使用外部二極管來(lái)優(yōu)化放大器的性能。

裝置導通順序的重要性

正如我們在本文前面所討論的那樣，放大器的四個(gè)半導體器件按以下順序開(kāi)啟：

每個(gè)晶體管在其自己的反并聯(lián)二極管之后導通。

二極管不能立刻關(guān)斷，當它們從正向偏置轉變?yōu)榉聪蚱脮r(shí)，它們會(huì )反向傳遞一些電流。。上述導通順序的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)在于二極管的反向恢復電流成為正開(kāi)關(guān)電流的一部分。

在下一篇文章中，我們將詳細探討反向恢復是如何影響D類(lèi)放大器性能的。在討論過(guò)程中，我們還將檢查開(kāi)關(guān)頻率低于諧振頻率時(shí)放大器的工作情況。導致電容性負載；正如我們下一次將看到的那樣，它還改變了開(kāi)啟順序，導致了巨大的反向恢復損失。