為什么D類放大器需要反并聯(lián)二極管

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

本系列的前一篇文章介紹了D類放大器。在那篇文章中，我們主要忽略了非理想因素，以研究開關(guān)式放大器工作的基本原理。現(xiàn)在我們已經(jīng)介紹了基礎(chǔ)知識，我們可以從原理轉(zhuǎn)向?qū)嵺`。

例如，我們之前假設(shè)放大器調(diào)諧電路的諧振頻率等于開關(guān)頻率。實(shí)際上，諧振頻率和開關(guān)頻率可能略有不同。為了使D類放大器按預(yù)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(dāng)開關(guān)頻率略高于諧振頻率時(shí)，反并聯(lián)二極管在D類操作中的作用。但首先，我們需要強(qiáng)調(diào)理想操作的一些關(guān)鍵特性。

帶有完美調(diào)諧LC電路的D類放大器

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

互補(bǔ)電壓開關(guān)D類配置。

圖1. 互補(bǔ)電壓切換配置。圖片由Steve Arar提供

假設(shè)晶體管充當(dāng)理想開關(guān)，節(jié)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(diào)諧電路，只有方波的基波分量才能通過LC電路產(chǎn)生電流。其他分量會(huì)遇到很大的阻抗，無法產(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(jié)點(diǎn)A產(chǎn)生電阻性負(fù)載（RL）。假設(shè)開關(guān)頻率與調(diào)諧電路的諧振頻率相匹配，則我們在開關(guān)頻率下具有電阻性負(fù)載。這意味著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LC電路。

圖3. 基頻的正弦電流流過LC電路。圖片由Steve Arar提供

在(0, T/2)時(shí)間間隔內(nèi)，上開關(guān)(Q1)處于開啟狀態(tài)。如圖3所示，在此間隔內(nèi)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(nèi)為負(fù)，此時(shí)下開關(guān)(Q2)處于開啟狀態(tài)。然而，如果我們考慮圖1中的電流方向，我們觀察到晶體管Q2所吸收的電流始終為正。

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

流經(jīng)上開關(guān)（a）和下開關(guān)（b）的電流。

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

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

無功負(fù)載：在高于其諧振頻率的條件下運(yùn)行D類放大器

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(fù)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)開關(guān)的電流？考慮圖6(a)和6(b)。圖6(a)顯示了通過上開關(guān)的電流(isw1)；圖6(b)顯示了通過下開關(guān)的電流(isw2)。這兩個(gè)電流結(jié)合產(chǎn)生圖5的iRF波形。

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

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

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

一種互補(bǔ)電壓開關(guān)D類放大器，增加了反向并聯(lián)二極管以傳導(dǎo)負(fù)電流。

圖7. 帶有反向并聯(lián)二極管的互補(bǔ)電壓開關(guān)D類放大器，用于傳導(dǎo)負(fù)電流。圖片由Steve Arar提供

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

D1 通過了 isw1 的負(fù)部分。

Q1通過isw1的正部分。

D2 通過了 isw2 的負(fù)部分。

Q2 經(jīng)過 isw2 的正部分。

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

流經(jīng)四個(gè)半導(dǎo)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(yīng)電流i1，圖（b）對應(yīng)電流i2，圖（c）對應(yīng)電流i3，圖（d）對應(yīng)電流i4。它并不代表設(shè)備開啟的順序。開啟順序在圖上方的項(xiàng)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類放大器中還發(fā)揮著另一個(gè)關(guān)鍵作用。正如我們將在下一節(jié)中討論的那樣，它們可以保護(hù)晶體管免受電壓尖峰的影響。

二極管如何保護(hù)D類放大器中的晶體管

回頭看圖7中的電路圖，節(jié)點(diǎn)A處可能出現(xiàn)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。通過開關(guān)動(dòng)作強(qiáng)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(xiàn)象稱為電感反沖。

例如，假設(shè)我們在10納秒的時(shí)間間隔內(nèi)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(yīng)出-10,000伏的電壓，計(jì)算如下：

通常，電感電流使用機(jī)械開關(guān)或晶體管進(jìn)行切換。對于機(jī)械開關(guān)，電感反沖會(huì)使開關(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(guī)避導(dǎo)致電感反沖的電流快速變化，我們使用二極管來創(chuàng)建電流路徑。D類放大器中的反并聯(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，將感興趣的電流（i1和i4）復(fù)制到圖9中。

在t=T/2時(shí)，電流從上面的晶體管轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。如果沒有反并聯(lián)二極管，切換會(huì)將該電流切斷至零，并在節(jié)點(diǎn)A處產(chǎn)生負(fù)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(dāng)節(jié)點(diǎn)A的電壓達(dá)到-0.7V時(shí)，D2導(dǎo)通，為電感電流創(chuàng)建了一條通路。同樣，當(dāng)我們在t=T時(shí)關(guān)閉Q2時(shí)，D1導(dǎo)通，為電感電流提供了一條通路。

MOSFET開關(guān)

我們也可以使用MOSFET代替雙極結(jié)型晶體管來實(shí)現(xiàn)D類放大器的開關(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(jié)構(gòu)。圖片由IXYS提供

利用這種結(jié)構(gòu)，電流垂直流過硅片。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(dāng)漏源電壓為正時(shí)，P-N-和P-N+結(jié)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(dǎo)通晶體管以將電流從漏極傳導(dǎo)到源極。然而，如圖所示，在P和N區(qū)域之間產(chǎn)生了寄生二極管。

這種二極管被稱為體二極管，出現(xiàn)在源極和漏極端子之間。當(dāng)漏極-源極電壓為負(fù)時(shí)，本體二極管導(dǎo)通并將電流從源極傳導(dǎo)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，電壓開關(guān)D類放大器的MOSFET實(shí)現(xiàn)可以在不使用外部反并聯(lián)二極管的情況下工作。雖然MOSFET通過反向電流而沒有損壞的風(fēng)險(xiǎn)，然而，我們有時(shí)仍然使用外部二極管來優(yōu)化放大器的性能。

裝置導(dǎo)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(dǎo)體器件按以下順序開啟：

每個(gè)晶體管在其自己的反并聯(lián)二極管之后導(dǎo)通。

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

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