揭秘D类放大器中的反并联二极管：作用与原理
揭秘D类放大器中的反并联二极管：作用与原理
在D类放大器中，反并联二极管扮演着至关重要的角色。它们不仅为反向电流提供了通路，还能保护晶体管免受电压尖峰的损害。本文将深入探讨反并联二极管在D类放大器中的具体作用及其工作原理。
理想操作条件下的D类放大器
让我们从一个理想的情况开始：D类放大器的LC电路完美调谐，谐振频率与开关频率完全匹配。
图1. 互补电压切换配置。图片由Steve Arar提供
在这种理想状态下，节点A的电压是完美的方波（见图2）。由于LC电路的高Q值，只有方波的基波分量能够通过电路产生电流，其他分量则因遇到巨大阻抗而无法产生谐波电流。
图2:串联LC电路输入端的方波。图片由Steve Arar提供
在谐振频率下，电感Ls和电容Cs的电抗相互抵消，使得节点A呈现电阻性负载（RL）。当开关频率与调谐电路的谐振频率相匹配时，输出电流与方波的基波分量同相（见图3）。
图3. 基频的正弦电流流过LC电路。图片由Steve Arar提供
非理想条件下的挑战
然而，在实际应用中，开关频率往往与谐振频率存在微小差异。当开关频率略高于谐振频率时，LC电路呈现出电感性负载，导致输出电流的基波分量滞后于方波电压（见图5）。
图5. 高于谐振频率时，电流滞后于电压的基波分量
这种相位差异会导致流经晶体管的电流出现负值，而双极结型晶体管（BJT）无法传导反向电流。为了解决这一问题，需要在电路中添加反并联二极管（见图7）。
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
反并联二极管的保护作用
除了为反向电流提供通路外，反并联二极管还能保护晶体管免受电压尖峰的损害。当开关动作强制电感器电流快速变化时，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：
反并联二极管通过提供电流路径来规避这种电流快速变化。当节点A的电压达到-0.7V时，二极管导通，为电感电流创建了一条通路，从而限制了电压尖峰的幅度。
MOSFET开关的特殊考虑
使用MOSFET实现D类放大器的开关时，情况略有不同。MOSFET内部存在寄生的体二极管，可以在不使用外部反并联二极管的情况下工作。然而，为了优化放大器的性能，有时仍然需要使用外部二极管。
图10 N-channel功率MOSFET的结构。图片由IXYS提供
开关顺序的重要性
放大器的四个半导体器件（两个晶体管和两个二极管）的开启顺序至关重要。正确的开启顺序可以确保二极管的反向恢复电流成为正开关电流的一部分，从而优化放大器的性能。
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。同时，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，这将导致电容性负载并改变开启顺序，从而产生巨大的反向恢复损失。