二極管的開關過程和其可能引發的EMI問題

導語

二極管的單向導通性、大于某電壓就導通等基本特性我們非常熟悉，但是隨著工作的深入會發現僅知道這些是不夠的，特別是大功率設備或者面臨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過程（也叫二極管的動態特性）及其帶來的影響。

任何開關器件的狀態切換并不是一蹴而就的，在這切換的期間發生了什么是工程師值得注意的地方。因為結電容的存在，二極管在零偏置、正向導通、反向截止這三個狀態之間切換時，會有一個過渡。

開通（零偏置轉換為正向導通）

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）就直接導通，且之后正向壓降就是0.7V了。

實際上應該是當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時間 tfr。如下圖-1如示：

圖-1：零偏置轉換為正向導通

也就是說二極管的導通瞬間會產生一個正向尖峰電壓，且要大于穩態電壓UF。而這個過沖電壓，隨di/dt的增大而增大。

關斷（正向導通轉換為反向截止）

當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時間 trr。如下圖-2：

圖-2：正向導通轉換為反向截止

tF時刻，二極管的外加電壓發生改變；

t0時刻，正向電流下降到為零，但是二極管還不能恢復到阻斷的狀態；

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，它也正表示了結電容放電復位的過程。

t2時刻，電流幾乎不再變化，二極管恢復對反向電壓的阻斷能力。

以上這些有什么用？

二極管開關瞬間存在損耗。在二極管開通和關斷的瞬間，電流和電壓相乘并不為零，所以存在開關損耗。這與MOSFET作為硬開關時的開關波形類似。所以在大功率和高頻（開關次數多）的場合下這個損耗更甚，不能忽視。

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

通常反向恢復電流的尖峰與EMI中的傳導相關，所以我們經常在小功率的場合里會在二極管的兩端并聯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，所以有時候我們會在二極管上套一個磁環。

所以，為了避免這些問題，有時我們會選用快恢復二極管或者肖特基二極管，它們的恢復時間很短。

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

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