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干货 | 二极管在开关瞬间会引发EMI问题,你注意了吗?

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发表于 2019-4-24 17:57:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
导语

二极管的单向导通性、大于某电压就导通等基本特性我们非常熟悉,但是随着工作的深入会发现仅知道这些是不够的,特别是大功率设备或者面临EMI的问题时。所以我们需要对二极管有个更深入的认识,今天就着重讲述二极管的开关过程(也叫二极管的动态特性)及其带来的影响。

任何开关器件的状态切换并不是一蹴而就的,在这切换的期间发生了什么是工程师值得注意的地方。因为结电容的存在,二极管在零偏置、正向导通、反向截止这三个状态之间切换时,会有一个过渡。

开通(零偏置转换为正向导通)
■ 二极管的开通并不是说其正向压降大于某个电压(比如0.7V)就直接导通,且之后正向压降就是0.7V了。

■ 实际上应该是当其正向压降从零开始增大到一个过冲电压VFP后才逐渐趋于一个稳定的电压(如2V),这期间正向电流不断增大。把这段时间叫做正向恢复时间 tfr。如下图-1如示:

640.webp (9).jpg
图-1:零偏置转换为正向导通

也就是说二极管的导通瞬间会产生一个正向尖峰电压,且要大于稳态电压UF。而这个过冲电压,随di/dt的增大而增大。

关断(正向导通转换为反向截止)
■ 当给二极管施加一个反向电压时并不能使之马上阻断,而是需要一定的时间。在这段时间里会有电压和电流的过冲。而这段时间就是我们常说的反向恢复时间 trr。如下图-2:
640.webp (10).jpg
图-2:正向导通转换为反向截止

tF时刻,二极管的外加电压发生改变;
t0时刻,正向电流下降到为零,但是二极管还不能恢复到阻断的状态;
t1时刻,反向电流达到最大IRP,随后反向过冲电压也达到最大URP。反向电流随后迅速下降,可以看到这段曲线与电容的放电曲线类似,事实上,它也正表示了结电容放电复位的过程。
t2时刻,电流几乎不再变化,二极管恢复对反向电压的阻断能力。

以上这些有什么用?
■ 二极管开关瞬间存在损耗。在二极管开通和关断的瞬间,电流和电压相乘并不为零,所以存在开关损耗。这与MOSFET作为硬开关时的开关波形类似。所以在大功率和高频(开关次数多)的场合下这个损耗更甚,不能忽视。

■ 二极管开关瞬间带来EMI问题。可以看到二极管在开关瞬间会产生过冲电压和尖峰电流,这样高的dv/dt和di/dt 必然会引发EMI问题。

通常反向恢复电流的尖峰与EMI中的传导相关。还有,尖峰电流过后可能还会伴随着一段时间的震荡,这个震荡与EMI中的辐射相关,所以有时候我们会在二极管上套一个磁环。

■ 所以,为了避免这些问题,有时我们会选用快恢复二极管或者肖特基二极管,它们的恢复时间很短。

■ 顺便说一下,正向恢复时间远小于反向恢复时间,所以我们在二极管的器件手册上通常看到不到关于正向恢复时间的参数。

最后还有要预告一下,二极管的损耗分析会在之后分享。


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