了解二極管反向恢復在D類(lèi)放大器中的影響

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

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

然而，當使用反向并聯(lián)二極管時(shí)，一種稱(chēng)為二極管反向恢復的現象可能會(huì )引發(fā)問(wèn)題。在本文中，們將討論二極管反向恢復如何以及在何種情況下影響D類(lèi)放大器的性能。本文將涵蓋很多內容：我們將研究D類(lèi)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(lái)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？

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

在從正向偏置到反向偏置的過(guò)渡過(guò)程中，由于存儲在設備中的少數電荷發(fā)生變化，二極管的行為偏離了指數特性。我們不會(huì )詳細介紹操作的物理細節；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(huì )通過(guò)二極管。需要這個(gè)反向電流來(lái)去除存儲在二極管P-N結附近的少數電荷。

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(shí)間間隔稱(chēng)為反向恢復時(shí)間。根據材料類(lèi)型、摻雜水平和結構的不同，不同的二極管表現出不同的反向恢復特性。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特性：

一個(gè)緩慢而活潑的二極管（紅色曲線(xiàn)）。

快速軟恢復二極管（藍色虛線(xiàn)曲線(xiàn)）。

兩種不同的二極管表現出不同的反向恢復特性。

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

反向恢復如何影響開(kāi)關(guān)模式電路

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

降壓轉換器的電路圖。

圖2:降壓轉換器的電路圖。圖片由Steve Arar提供

降壓轉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(kāi)關(guān)（S1）閉合，干線(xiàn)電壓施加到電感器上。在此半周期中，二極管（D1）反向偏置。

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

當S1閉合時(shí)，二極管從正向偏置轉變?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，二極管能夠反向導通電流。

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

讓我們將注意力轉回到D類(lèi)放大器。圖3顯示了我們上一篇文章中研究的互補電壓開(kāi)關(guān)配置。

帶反并聯(lián)二極管的互補電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)配置。

圖3. 互補電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)配置。圖片由Steve Arar提供

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

在諧振頻率以上操作D類(lèi)放大器

考慮一下，如果圖3中的放大器在其調諧電路的諧振頻率以上運行會(huì )發(fā)生什么。當開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率時(shí)，串聯(lián)LC電路充當電感負載。因此，流經(jīng)負載的電流（iRF）滯后于施加到放大器節點(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(shí)，電流滯后于電壓的基波分量。圖片由Steve Arar提供

每個(gè)開(kāi)關(guān)在其ON周期的一部分期間都會(huì )傳導負電流。由于NPN晶體管不能在反向（發(fā)射極到集電極）方向上傳導電流，因此反向并聯(lián)二極管為負電流提供了一條通路。

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

流經(jīng)每個(gè)晶體管和二極管的電流。

圖5. 當放大器在諧振頻率以上工作時(shí)，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，當我們在諧振頻率以上操作時(shí)，每個(gè)晶體管在相應的反并聯(lián)二極管之后開(kāi)啟。器件開(kāi)啟順序為：

考慮時(shí)刻t = t1，如圖5(d)和圖5(c)所示。在t = t1時(shí)，二極管D2從正向偏置變?yōu)榉聪蚱?，晶體管Q2導通以傳導輸出電流。由于它不能立即關(guān)閉，D2將從節點(diǎn)A向地吸收一些電流。圖6顯示了t = t1時(shí)反向恢復電流的方向，該電流在D2從正向偏置變?yōu)榉聪蚱脮r(shí)流過(guò)D2。

在t=t1時(shí)，二極管的反向恢復電流對輸出電流有貢獻。

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

通過(guò)D2的反向恢復電流與Q2傳導的正電流方向相同。本質(zhì)上，反向恢復電流成為D類(lèi)放大器下開(kāi)關(guān)應該吸收的正電流的一部分。

這種情況與降壓轉換器的情況完全不同。在降壓轉換器中，反向恢復電流導致短路，產(chǎn)生從電源流向地的大電流尖峰。在這里，當通過(guò)D2的反向電流不足以提供輸出電流時(shí)，Q2會(huì )導通，為輸出電流提供路徑。

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

低于諧振頻率的D類(lèi)放大器操作

當D類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)頻率低于諧振頻率時(shí)，串聯(lián)LC電路充當電容性負載。因此，負載電流（iRF）在節點(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(shí)，電流領(lǐng)先于電壓的基波分量。圖片由Steve Arar提供

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

當放大器在諧振頻率以下工作時(shí)，通過(guò)每個(gè)二極管和晶體管的電流。

圖8. 當放大器在諧振頻率以下工作時(shí)，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整，以考慮反向恢復效應。

對于低于諧振頻率的操作，設備開(kāi)啟順序為：

每個(gè)晶體管在其自身的反向并聯(lián)二極管之前以及另一個(gè)開(kāi)關(guān)的反向并聯(lián)二極管之后被打開(kāi)。這導致了一種類(lèi)似于我們在降壓轉換器中看到的情況——在電流從二極管轉移到另一個(gè)開(kāi)關(guān)的晶體管時(shí)，由于二極管的反向恢復，電流尖峰從電源流向地。圖9顯示了當二極管D1從正向偏置轉變?yōu)榉聪蚱脮r(shí)的反向恢復電流路徑。

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

圖9。當D1從正向偏置轉變?yōu)榉聪蚱脮r(shí)，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象如何影響性能，讓我們運行一些模擬。

在LTspice中模擬D類(lèi)放大器

圖10展示了我將用來(lái)探索互補電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)的LTspice圖。

LTspice原理圖用于互補電壓切換D類(lèi)放大器。

圖10. 圖3中D類(lèi)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只是為了展示輸出設備的開(kāi)關(guān)行為，例如反向恢復效應。

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

k 語(yǔ)句指定變壓器繞組之間的耦合系數 (k)。耦合系數可以在 0 和 1 之間變化，其中 1 表示沒(méi)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(yǔ)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開(kāi)關(guān)頻率與諧振頻率相同時(shí)的指定電流。其解釋如下：

頂部窗格：加載當前。

中間窗格：上開(kāi)關(guān)電流，包括通過(guò)Q1（藍色波形）和D1（青色）的電流。

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

在LTspice中模擬負載電流和開(kāi)關(guān)電流。開(kāi)關(guān)頻率和諧振頻率相等。

圖11（點(diǎn)擊放大）負載電流（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

當開(kāi)關(guān)頻率等于諧振頻率時(shí)，上下開(kāi)關(guān)不需要通過(guò)負電流。因此，整個(gè)電流由晶體管提供。如上所示，二極管不導通。

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

在諧振頻率以上的操作的LTspice仿真

通過(guò)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。

負載電流。

電流通過(guò)Q1（洋紅色）和D1（青色）。

電流通過(guò)Q2（藍色）和D2（黃色）。

在LTspice中模擬輸出電壓、負載電流和開(kāi)關(guān)電流。開(kāi)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(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)。在這個(gè)時(shí)刻，輸出端的方波被驅動(dòng)到正電源軌。由于在t=966.5μs時(shí)輸出電流為負，二極管D1導通以傳導電流。當電流變?yōu)檎龝r(shí)，晶體管傳導電流，二極管關(guān)閉。

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

負載電流、D1電流和Q1電流的放大視圖。

圖13（點(diǎn)擊放大）負載電流（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，二極管提供負輸出電流。在此之后，由于反向恢復效應，二極管的電流在短時(shí)間內變?yōu)樨撝?，從而為正輸出電流做出貢獻。

在t=966.560μs后不久，二極管反向電流降至零，晶體管開(kāi)啟以提供正輸出電流。從圖12中可以看出，當輸出電流從D2轉移到Q2時(shí)，會(huì )發(fā)生類(lèi)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(lèi)放大器，諧振頻率仍為1 MHz。但是，輸入頻率現在是990 kHz。圖14顯示了模擬結果。

在LTspice中模擬輸出電壓、負載電流和開(kāi)關(guān)電流。開(kāi)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(gè)時(shí)間，電流從D1轉移到Q2。然而，出現了電流尖峰。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的電流為藍色，負載電流為紅色。

反向恢復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）展示了施加到調諧電路（棕色）的方波、負載電流（紅色）、二極管D1的電流（青色）和晶體管Q2的電流（藍色）。圖片由Steve Arar提供

在t=987.56μs之前，負載電流變?yōu)樨撝?。這將電流從Q1（未顯示）轉移到D1。接下來(lái)，隨著(zhù)Q2的開(kāi)啟，VOUT被驅動(dòng)到地。然后，Q2可以提供輸出負電流。

當從D1到Q2的過(guò)渡發(fā)生時(shí)，二極管從正向偏置變?yōu)榉聪蚱?。由于二極管的反向恢復電流，相當大的電流流過(guò)D1和Q2。這會(huì )在波形中產(chǎn)生電流尖峰。當電流從D2轉移到Q1時(shí)，會(huì )發(fā)生類(lèi)似的事件序列。

那么，所有這些對D類(lèi)放大器的性能意味著(zhù)什么呢？讓我們通過(guò)檢查這些模擬的關(guān)鍵要點(diǎn)來(lái)結束這篇文章。

二極管反向恢復的影響：關(guān)鍵要點(diǎn)

當我們在諧振頻率以上操作D類(lèi)放大器時(shí)，反向恢復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期間二極管兩端的電壓相對較小。因此，反向恢復的功率損耗較低。

然而，如果D類(lèi)放大器的開(kāi)關(guān)頻率低于其諧振頻率，反向恢復就會(huì )成為一個(gè)問(wèn)題。如圖15所示，反向并聯(lián)二極管會(huì )產(chǎn)生高反向恢復功率尖峰。這些電流尖峰會(huì )增加噪聲并損壞晶體管。

從圖15中還可以看出，當發(fā)生反向恢復時(shí)，二極管兩端的電壓相對較大，導致反向恢復功率損耗較高。由于這些原因，不建議在諧振頻率以下或電容性負載下操作D類(lèi)放大器。