为什么D类放大器需要反并联二极管

了解反并联二极管如何保护D类放大器免受电抗性负载和电感反冲的影响。

本系列的前一篇文章介绍了D类放大器。在那篇文章中，我们主要忽略了非理想因素，以研究开关式放大器工作的基本原理。现在我们已经介绍了基础知识，我们可以从原理转向实践。

例如，我们之前假设放大器调谐电路的谐振频率等于开关频率。实际上，谐振频率和开关频率可能略有不同。为了使D类放大器按预期工作，我们需要包括反并联二极管。二极管还有助于防止损坏晶体管。

在本文中，我们将探讨当开关频率略高于谐振频率时，反并联二极管在D类操作中的作用。但首先，我们需要强调理想操作的一些关键特性。

带有完美调谐LC电路的D类放大器

考虑图1中的互补电压开关D类放大器。我们之前在上一篇文章中首次看到了这种配置。

互补电压开关D类配置。

图1. 互补电压切换配置。图片由Steve Arar提供

假设晶体管充当理想开关，节点A的电压是方波（图2）。

串联LC电路输入端的方波。

图2:串联LC电路输入端的方波。图片由Steve Arar提供

使用高Q调谐电路，只有方波的基波分量才能通过LC电路产生电流。其他分量会遇到很大的阻抗，无法产生谐波电流。在本文的其余部分，我们将只关注输出电流的基波分量。

在谐振频率下，Ls和Cs的电抗相互抵消，在节点A产生电阻性负载（RL）。假设开关频率与调谐电路的谐振频率相匹配，则我们在开关频率下具有电阻性负载。这意味着输出电流与方波的基波分量同相。图3显示了基波分量的电流波形，证实了这一点。

基频的正弦电流流过LC电路。

图3. 基频的正弦电流流过LC电路。图片由Steve Arar提供

在(0, T/2)时间间隔内，上开关(Q1)处于开启状态。如图3所示，在此间隔内输出电流(iRF)始终为正。因此，晶体管Q1提供的电流也始终为正。

图3中的输出电流在(T/2, T)时间间隔内为负，此时下开关(Q2)处于开启状态。然而，如果我们考虑图1中的电流方向，我们观察到晶体管Q2所吸收的电流始终为正。

图4的两半分别说明了流经Q1和Q2的电流。图4(a)显示了流经上开关(Q1)的电流i1的波形。图4(b)显示了流经下开关(Q2)的电流i2。

流经上开关（a）和下开关（b）的电流。

图4 流经上开关（a）和下开关（b）的电流。图片由Steve Arar提供

总而言之，当开关频率与谐振频率相匹配时，流经晶体管的电流为正。这简化了D类配置的电路实现。然而，在实际中，开关频率与谐振频率并不完全相同。让我们来研究一下这种失配对放大器性能的影响。

无功负载：在高于其谐振频率的条件下运行D类放大器

流经电感器的电流滞后于其上的电压90度。在D类放大器中，即使稍微高于其谐振频率，串联LC电路也主要是电感性的。因此，输出电流的基波分量滞后于方波（VA）的基波分量，如图5所示。然而，由于电感LC组件与电阻负载串联，相位差小于90度。

在谐振频率以上，电流滞后于电压的基波分量。

图5. 高于谐振频率时，电流滞后于电压的基波分量。图片由Steve Arar提供

方波和iRF之间的相位不匹配如何影响流经开关的电流？考虑图6(a)和6(b)。图6(a)显示了通过上开关的电流(isw1)；图6(b)显示了通过下开关的电流(isw2)。这两个电流结合产生图5的iRF波形。

当D类放大器在其谐振频率以上工作时，流经上开关（a）和下开关（b）的电流。

图6.当D类放大器在其谐振频率以上工作时，流经上开关（a）和下开关（b）的电流。图片由Steve Arar提供

每个开关在其ON周期的一部分中都会传导负电流。图1中的电路图显示，我们的开关Q1和Q2是双极结型晶体管。由于双极结型晶体管不能传导反向电流，我们通常使用反并联二极管为负电流提供通路。这在图7中进行了说明。

一种互补电压开关D类放大器，增加了反向并联二极管以传导负电流。

图7. 带有反向并联二极管的互补电压开关D类放大器，用于传导负电流。图片由Steve Arar提供

二极管D1和D2充当开关，在需要时自动打开，仔细想想，这很有趣。输出电流由四个设备之一提供：Q1、Q2、D1或D2。这些设备按如下方式协同工作：

D1 通过了 isw1 的负部分。

Q1通过isw1的正部分。

D2 通过了 isw2 的负部分。

Q2 经过 isw2 的正部分。

图8(b)和8(a)分别显示了通过D1和Q1的电流。图8(d)和8(c)显示了通过D2和Q2的电流。

流经四个半导体器件的电流。

图8. 流经Q1（a）、D1（b）、Q2（c）和D2（d）的电流。图片由Steve Arar提供

请注意，图8的组织方式为：图（a）对应电流i1，图（b）对应电流i2，图（c）对应电流i3，图（d）对应电流i4。它并不代表设备开启的顺序。开启顺序在图上方的项目符号列表中给出：D1、Q1、D2、Q2。

除了为反向电流提供路径外，反并联二极管在D类放大器中还发挥着另一个关键作用。正如我们将在下一节中讨论的那样，它们可以保护晶体管免受电压尖峰的影响。

二极管如何保护D类放大器中的晶体管

回头看图7中的电路图，节点A处可能出现较大的电压尖峰。要理解这一点，请回忆一下电感器对其电流的快速变化有抵抗力。通过开关动作强制电感器电流快速变化，会在其端子间产生较大的电压，这种现象称为电感反冲。

例如，假设我们在10纳秒的时间间隔内突然将10毫亨电感器的电流从10毫安切断至零。电感器将感应出-10,000伏的电压，计算如下：

通常，电感电流使用机械开关或晶体管进行切换。对于机械开关，电感反冲会使开关触点之间的空气电离，产生明亮的火花。对于晶体管，电感反冲产生的大电压很容易损坏晶体管。

为了规避导致电感反冲的电流快速变化，我们使用二极管来创建电流路径。D类放大器中的反并联二极管提供了这种功能。

例如，让我们来检查图8中电流波形在t=T/2时的瞬时值。为方便起见，将感兴趣的电流（i1和i4）复制到图9中。

在t=T/2时，电流从上面的晶体管转移到下面的二极管。

图9：在t = T/2时，电流从上方晶体管转移到下方二极管。图片由Steve Arar提供

在切换发生之前，晶体管Q1会提供一些正电流。如果没有反并联二极管，切换会将该电流切断至零，并在节点A处产生负电压尖峰，从而损坏晶体管。

然而，有了D2，电压尖峰不能低于-0.7V左右，这是由D2的正向压降决定的。当节点A的电压达到-0.7V时，D2导通，为电感电流创建了一条通路。同样，当我们在t=T时关闭Q2时，D1导通，为电感电流提供了一条通路。

MOSFET开关

我们也可以使用MOSFET代替双极结型晶体管来实现D类放大器的开关。图10显示了功率MOSFET的截面。

N型沟道功率MOSFET的横截面。

图10 N-channel功率MOSFET的结构。图片由IXYS提供

利用这种结构，电流垂直流过硅片。在晶片的底部，我们有金属化漏极连接。在晶片的顶部，我们有金属化的源极连接和多晶硅栅极。

当漏源电压为正时，P-N-和P-N+结反向偏置。在这种情况下，足够大的栅极到源极电压在栅极下方形成沟道并且导通晶体管以将电流从漏极传导到源极。然而，如图所示，在P和N区域之间产生了寄生二极管。

这种二极管被称为体二极管，出现在源极和漏极端子之间。当漏极-源极电压为负时，本体二极管导通并将电流从源极传导到漏极。不管栅极到源极电压如何，都会发生这种情况。

由于本体二极管，电压开关D类放大器的MOSFET实现可以在不使用外部反并联二极管的情况下工作。虽然MOSFET通过反向电流而没有损坏的风险，然而，我们有时仍然使用外部二极管来优化放大器的性能。

装置导通顺序的重要性

正如我们在本文前面所讨论的那样，放大器的四个半导体器件按以下顺序开启：

每个晶体管在其自己的反并联二极管之后导通。

二极管不能立刻关断，当它们从正向偏置转变为反向偏置时，它们会反向传递一些电流。。上述导通顺序的一个重要优点在于二极管的反向恢复电流成为正开关电流的一部分。

在下一篇文章中，我们将详细探讨反向恢复是如何影响D类放大器性能的。在讨论过程中，我们还将检查开关频率低于谐振频率时放大器的工作情况。导致电容性负载；正如我们下一次将看到的那样，它还改变了开启顺序，导致了巨大的反向恢复损失。