二極管開關(guān)過程、EMI問題詳細分析-KIA MOS管

二極管的開關(guān)過程

二極管的單向?qū)ㄐ浴⒋笥谀畴妷壕蛯?dǎo)通等基本特性我們非常熟悉，但是隨著工作的深入會發(fā)現(xiàn)僅知道這些是不夠的，特別是大功率設(shè)備或者面臨EMI的問題時。

所以我們需要對二極管有個更深入的認識，今天就著重講述二極管的開關(guān)過程（也叫二極管的動態(tài)特性）及其帶來的影響。

任何開關(guān)器件的狀態(tài)切換并不是一蹴而就的，在這切換的期間發(fā)生了什么是工程師值得注意的地方。因為結(jié)電容的存在，二極管在零偏置、正向?qū)ā⒎聪蚪刂惯@三個狀態(tài)之間切換時，會有一個過渡。

開通（零偏置轉(zhuǎn)換為正向?qū)ǎ?/span>

二極管的開通并不是說其正向壓降大于某個電壓（比如0.7V）就直接導(dǎo)通，且之后正向壓降就是0.7V了。

實際上應(yīng)該是當(dāng)其正向壓降從零開始增大到一個過沖電壓VFP后才逐漸趨于一個穩(wěn)定的電壓（如2V），這期間正向電流不斷增大。把這段時間叫做正向恢復(fù)時間 tfr。

如下圖-1如示：

圖-1：零偏置轉(zhuǎn)換為正向?qū)?/span>

也就是說二極管的導(dǎo)通瞬間會產(chǎn)生一個正向尖峰電壓，且要大于穩(wěn)態(tài)電壓UF。而這個過沖電壓，隨di/dt的增大而增大。

關(guān)斷（正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換為反向截止）

當(dāng)給二極管施加一個反向電壓時并不能使之馬上阻斷，而是需要一定的時間。在這段時間里會有電壓和電流的過沖。而這段時間就是我們常說的反向恢復(fù)時間 trr。

如下圖-2：

圖-2：正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換為反向截止

tF時刻，二極管的外加電壓發(fā)生改變；

t0時刻，正向電流下降到為零，但是二極管還不能恢復(fù)到阻斷的狀態(tài)；

t1時刻，反向電流達到最大IRP，隨后反向過沖電壓也達到最大URP。反向電流隨后迅速下降，可以看到這段曲線與電容的放電曲線類似，事實上，它也正表示了結(jié)電容放電復(fù)位的過程。

t2時刻，電流幾乎不再變化，二極管恢復(fù)對反向電壓的阻斷能力。

以上這些有什么用？

二極管開關(guān)瞬間存在損耗。在二極管開通和關(guān)斷的瞬間，電流和電壓相乘并不為零，所以存在開關(guān)損耗。

這與MOSFET作為硬開關(guān)時的開關(guān)波形類似。所以在大功率和高頻（開關(guān)次數(shù)多）的場合下這個損耗更甚，不能忽視。

二極管開關(guān)瞬間帶來EMI問題。可以看到二極管在開關(guān)瞬間會產(chǎn)生過沖電壓和尖峰電流，這樣高的dv/dt和di/dt 必然會引發(fā)EMI問題。

通常反向恢復(fù)電流的尖峰與EMI中的傳導(dǎo)相關(guān)，所以我們經(jīng)常在小功率的場合里會在二極管的兩端并聯(lián)RC以吸收這個尖峰。

還有，尖峰電流過后可能還會伴隨著一段時間的震蕩，這個震蕩與EMI中的輻射相關(guān)，所以有時候我們會在二極管上套一個磁環(huán)。

所以，為了避免這些問題，有時我們會選用快恢復(fù)二極管或者肖特基二極管，它們的恢復(fù)時間很短。

順便說一下，正向恢復(fù)時間遠小于反向恢復(fù)時間，所以我們在二極管的器件手冊上通常看到不到關(guān)于正向恢復(fù)時間的參數(shù)。

二極管中的結(jié)電容CT不可忽略，當(dāng)其與電路中的寄生電感結(jié)合時會產(chǎn)生諧波頻率，引發(fā)EMI問題。

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