为什么 D 类放大器需要反并联二极管

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，以便考察开关模式放大器操作的基本原理。现在，我们已经掌握了基础知识，可以从原理转向实际应用。

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。但在实际中，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，我们需要加入反并联二极管。这些二极管还有助于防止晶体管受损。

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。不过，首先我们需要强调理想操作的一些关键特征。

具有完美调谐LC电路的D类放大器

请考虑图1中的互补电压切换D类放大器。我们在前一篇文章中首次看到了这种配置。

图1. 互补电压切换配置。图片由Steve Arar提供

假设晶体管作为理想开关工作，则节点A的电压为方波（如图2所示）。

图2. 串联LC电路输入端的方波。图片由Steve Arar提供

在高品质因数（Q值）的调谐电路中，只有方波的基本分量能够通过LC电路产生电流。其他分量会遇到较大的阻抗，无法产生谐波电流。在本文的其余部分，我们将仅关注输出电流的基本分量。

在谐振频率下，Ls和Cs的电抗相互抵消，从而在节点A处产生一个电阻性负载（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得到一个电阻性负载。这意味着输出电流与方波的基本分量同相。图3显示了基本分量的电流波形，证实了这一点。

图3. 在基频下，正弦电流流经LC电路。图片由Steve Arar提供

在（0，T/2）时间间隔内，上开关（Q1）处于导通状态。如图3所示，在这个时间间隔内，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。

在图3中，输出电流在（T/2，T）时间间隔内为负，此时下开关（Q2）处于导通状态。然而，如果我们考虑图1中的电流方向，我们会发现晶体管Q2所吸收的电流始终为正。

图4的两个部分分别说明了流过Q1和Q2的电流。图4(a)显示了上开关（Q1）流过的电流i1的波形。图4(b)显示了下开关（Q2）流过的电流i2的波形。

图4. 流过上开关（a）和下开关（b）的电流。图片由Steve Arar提供

总结来说，当开关频率与谐振频率匹配时，通过晶体管的电流为正，这简化了D类配置的电路实现。然而，在实际中，开关频率并不完全等于谐振频率。接下来，我们来探讨这种不匹配对放大器性能的影响。

感性负载：在略高于谐振频率下运行D类放大器

流过电感的电流相对于其两端的电压有90度的滞后。在D类放大器即使只是略高于其谐振频率运行时，串联LC电路主要呈现感性。因此，如图5所示，输出电流的基本分量会滞后于方波（VA）的基本分量。但是，由于感性LC元件与电阻性负载串联，所以相位差会小于90度。

图5. 在谐振频率之上，电流滞后于电压的基本分量。图片由Steve Arar提供

方波与iRF之间的这种相位不匹配如何影响流过开关的电流呢？请考虑图6(a)和6(b)。图6(a)显示了流过上开关的电流（isw1）；图6(b)显示了流过下开关的电流（isw2）。这两个电流组合起来产生了图5中的iRF波形。

图6. 当D类放大器在谐振频率之上运行时，流过上开关（a）和下开关（b）的电流。图片由Steve Arar提供

在每个开关的导通周期内，都会有一部分时间流过负电流。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（BJT）。由于BJT不能传导反向电流，我们通常使用反并联二极管来为负电流提供通路。这在图7中得到了说明。

图7. 带有反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在需要时自动导通，这实际上是非常有趣的。输出电流由以下四个元件之一提供：Q1、Q2、D1或D2。这些元件的工作方式如下：

• D1传导isw1的负部分。

• Q1传导isw1的正部分。

• D2传导isw2的负部分。

• Q2传导isw2的正部分。

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

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

请注意，图8的组织方式是这样的：图（a）对应电流i1，图（b）对应电流i2，图（c）对应i3，图（d）对应i4。这并不代表这些元件的导通顺序。导通顺序已在图上方的列表中给出：D1、Q1、D2、Q2。

除了为反向电流提供通路外，反并联二极管在D类放大器中还扮演着另一个关键角色。我们将在下一节中讨论它们如何保护晶体管免受电压尖峰的影响。

反并联二极管如何保护D类放大器中的晶体管

回顾图7中的电路图，我们可以看到在节点A上可能会出现大的电压尖峰。为了理解这一点，我们需要记住电感会抵抗其电流的迅速变化。通过开关动作强制电感电流迅速变化会在其两端产生一个大的电压，这种现象被称为电感反冲。

例如，假设我们在10纳秒的时间间隔内将一个10毫亨电感的电流从10毫安突然切断到零。根据计算，电感将在其两端感应出-10,000伏的电压，具体计算如下：

（此处省略具体计算过程，但基本原理是：根据法拉第电磁感应定律，电感中的电流变化率与感应电动势成正比，因此快速切断电流会导致高感应电动势，从而产生高电压尖峰。

通常，电感电流是通过机械开关或晶体管来切换的。对于机械开关，电感反冲会使开关触点之间的空气电离，从而产生明亮的火花。而对于晶体管，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通路。D类放大器中的反并联二极管就具有这一功能。

例如，我们来考察图8中电流波形在t=T/2时刻的情况。为了方便起见，我们将感兴趣的电流（i1和i4）重新绘制在图9中。

图9. 在t = T/2时，电流从上晶体管分流到下二极管。图片由Steve Arar提供

在切换发生之前，晶体管Q1提供了一定的正向电流。如果没有反并联二极管，切换操作会将此电流切断至零，并在节点A产生负电压尖峰，从而损坏晶体管。

然而，由于D2的存在，电压尖峰不会低于约-0.7V，这是由D2的正向导通压降决定的。当节点A的电压达到-0.7V时，D2导通并为电感电流提供通路。类似地，当我们在t = T时关闭Q2时，D1也会导通以提供电感电流的通路。

MOSFET开关

我们也可以使用MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）而不是双极结型晶体管来实现D类放大器的开关。图10展示了功率MOSFET的横截面图。

图10. N沟道功率MOSFET的结构。图片由IXYS提供

在此结构中，电流垂直流过硅片。在硅片底部，我们有金属化的漏极连接。在硅片顶部，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+结处于反向偏置状态。在这种情况下，足够大的栅源电压会在栅极下方形成通道，并开启晶体管，使电流从漏极流向源极。然而，如图所示，在P区和N区之间形成了一个寄生二极管。

这个二极管被称为体二极管，出现在源极和漏极之间。当漏源电压为负时，体二极管导通，电流从源极流向漏极。这种情况与栅源电压无关。

由于体二极管的存在，使用MOSFET实现的电压切换D类放大器可以在不采用外部反并联二极管的情况下工作。尽管MOSFET可以在不损坏的情况下通过反向电流，但有时我们仍然使用外部二极管来优化放大器的性能。

设备导通顺序的重要性

如本文前面所述，放大器的四个半导体元件的导通顺序如下：

每个晶体管在其自身的反并联二极管之后导通。

二极管不能瞬间关断。在从正向偏置过渡到反向偏置的过程中，它们会在反向方向上通过一些电流。这种现象被称为反向恢复。上述导通顺序的一个重要优势是，二极管的反向恢复电流成为正向开关电流的一部分。

请点下【在看】给小编加鸡腿