卷煙設(shè)備電控系統(tǒng)中二極管的EMI效應(yīng)

蔡雙 蔡敏 馬璨

摘要： 卷煙設(shè)備電控系統(tǒng)中，二極管普遍存在于各電子元器件中，而二極管在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生一個(gè)反向恢復(fù)電流，其與電路的寄生電感，寄生電容等分布參數(shù)一起諧振導(dǎo)致較大的電流尖峰，電流尖峰對(duì)電路的EMI產(chǎn)生很大的影響。本文首先根據(jù)二極管的反向恢復(fù)特性對(duì)其進(jìn)行了分類，然后重點(diǎn)分析了電流尖峰產(chǎn)生的機(jī)理，最后通過仿真與實(shí)驗(yàn)論證了反向恢復(fù)特性對(duì)電流尖峰（即EMI干擾）的影響。

關(guān)鍵詞：二極管；反向恢復(fù)；電流尖峰；EMI

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）33-0206-03

Abstract： In the electronic control system of cigarette equipment， diodes are commonly used in electronic components，the turn-off of diode leading to a reverse recovery current， which resonates with the stray inductor and parasitic capacitor that producing a current spike across the power device. This spike can result in a large EMI. Firstly， the diode classification is made according to the reverse recovery characteristic. Then， the mechanism of current spike is analyzed in detail and at last， the theory is verified by the simulation and experiment.

Key words： Diodes； Reverse recovery； Current spike； EMI

在卷煙設(shè)備電控系統(tǒng)中， 二極管被廣泛應(yīng)用于各種電子元器件，是基本電子單元。理想的二極管在承受反向電壓時(shí)二極管截止，不會(huì)有反向電流流過。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，二極管正向?qū)〞r(shí)其PN結(jié)內(nèi)的電荷被積累，當(dāng)二極管承受反向電壓時(shí)PN結(jié)內(nèi)積累的電荷釋放，這樣就形成了一個(gè)反向恢復(fù)電流，這個(gè)電流恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)[1][2]。反向恢復(fù)電流與電路其他的分布參數(shù)（如：寄生電感，變壓器漏感，寄生電容等）共同作用下將產(chǎn)生較強(qiáng)烈高頻振蕩，引起較大的電流尖峰，導(dǎo)致對(duì)電路的EMI性能產(chǎn)生很大的影響[3][4]。

1 二極管反向恢復(fù)特性與分類

圖1給出了二極管反向恢復(fù)特性的主要波形示意圖，如圖1所示，二極管兩端加正向電壓時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，二極管兩端承受一個(gè)正向電壓，PN結(jié)電容存儲(chǔ)電荷Q（Q=Q1+Q2）。在ts時(shí)刻，二極管兩端加反壓uD，在反壓的作用下，二極管電流下降，下降到零后，由于PN結(jié)存儲(chǔ)的電荷Q并不能立即消失，二極管仍具有導(dǎo)電性，并且Q開始釋放形成反向電流，反向電流從零增大到iDP，反向電流使Q逐漸消失，然后PN結(jié)反向阻斷能力慢慢恢復(fù)，反向電壓慢慢增大到uD。圖中trr為反向恢復(fù)時(shí)間且trr=tr1+tr2，tr2/tr1為軟化系數(shù)SF，軟化系數(shù)大表明二極管在關(guān)斷的過程中反向恢復(fù)時(shí)間trr短，反之則長(zhǎng)。iDP為最大反向恢復(fù)電流，uDP為加在二極管上最大反向電壓。

根據(jù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間trr，可將二極管分為以下以幾類，如表1所示。

2 二極管反向恢復(fù)電流對(duì)電路EMI性能的影響

據(jù)研究表明，二極管反向恢復(fù)電流會(huì)給電路工作會(huì)帶來一些負(fù)面的影響，如與電路的寄生電感，寄生電容一起產(chǎn)生高頻振蕩，從而引起功率開關(guān)管兩端產(chǎn)生很高的電流尖峰，產(chǎn)生較大的EMI，另外還會(huì)增加額外的功率損耗等等。下面以一個(gè)典型的功率管（MOSFET）開通電路來說明二極管反向恢復(fù)電流對(duì)電路產(chǎn)生的影響。

圖2為功率MOSFET的開通電路圖，圖中，Q1為功率MOSFET，Cgs、Cgd、Cds為Q1的寄生電容，D為續(xù)流二極管，CD為二極管的寄生電容，Ls為線路寄生電路，ug為功率管Q1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Rg為驅(qū)動(dòng)電阻。假設(shè)負(fù)載為感性負(fù)載，開通過程負(fù)載保持不變，其可等效為一個(gè)恒流源Io。

在以上基礎(chǔ)上，功率MOSFET具體開通過程及二極管反向恢復(fù)電流對(duì)其影響的波形示意圖如圖3所示，具體如下所述。

階段1[t0～t1]：在t0～t1時(shí)間段，驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug為零，功率開關(guān)管Q1處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D續(xù)流導(dǎo)通，負(fù)載電流Io流過D。

階段2[t1～t2]：t1時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug突然由低變高，ug通過驅(qū)動(dòng)電阻Rg開始給功率MOSFET 的結(jié)電容充電，ugs開始逐漸增加，此階段MOSFET仍然工作在截止區(qū)，負(fù)載電流Io仍流過二極管D。

由式（4）可知，二極管的反向恢復(fù)電荷與流過功率開關(guān)管MOSFET的電流尖峰息息相關(guān)，Q越大，反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，電流尖峰越大，反之越小。

此階段，功率MOSFET的漏源極電壓繼續(xù)諧振下降，當(dāng)其下降到零后，MOSFET由線性放大區(qū)進(jìn)入電阻區(qū)。此后ugs繼續(xù)上升至Ug，開通過程結(jié)束。

從以上開通過程可知，二極管的反向恢復(fù)特性與功率管流過的電流尖峰密切相關(guān)，二極管PN結(jié)在開通過程中積累的電荷Q越大，反向恢復(fù)電流越大，導(dǎo)致在功率管上的電流尖峰iLs-peak也越大，從而對(duì)電路的EMI干擾越大。因此，為了減小對(duì)電路EMI干擾的影響，實(shí)際電路應(yīng)用中，盡量選擇開關(guān)速度快的二極管，其PN結(jié)累積的電荷小，反向恢復(fù)時(shí)間短，這樣在電路上產(chǎn)生的尖峰低，對(duì)電路的EMI干擾小。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證二極管反向恢復(fù)特性對(duì)電路工作的影響，在Saber環(huán)境下創(chuàng)建了一個(gè)Boost電路仿真模型，電壓輸入為200VDC，占空比a=0.5，儲(chǔ)能電感為1mH，電路工作在電感電流連續(xù)模式下，Boost電路如圖4所示。根據(jù)前面的分析可知，對(duì)于不同的二極管的反向恢復(fù)特性，其實(shí)質(zhì)可等效為二極管上的PN結(jié)累積的反向恢復(fù)電荷Q（也可等效為不同二極管的寄生電容CD）下對(duì)電路電流尖峰（EMI）的影響。仿真模型中二極管選擇型號(hào)為RHRP15120（D-1）及RURP1560（D-2）兩種二極管，功率管為IRF460。根據(jù)廠家的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，RHRP15120的Qrr為150nC， RURP1560的Qrr為73nC，仿真結(jié)果如圖5所示。圖5中給出了流過功率管的電流iLs，二極管的電流iD及驅(qū)動(dòng)信號(hào)ugs。從圖5中可以看出，Qrr越大的二極管反向恢復(fù)時(shí)間越慢，產(chǎn)生的電流尖峰越大，對(duì)電路的EMI干擾越大。

圖6（a）與圖6（b）分別為兩種二極管工作下的實(shí)驗(yàn)波形，其中6（a）為RHRP15120工作下的波形圖，6（b）為RURP1560對(duì)應(yīng)的波形圖。從圖中可以看出，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)。當(dāng)Qrr越大時(shí)，反向恢復(fù)時(shí)間越大，電流尖峰也越大，對(duì)電路的EMI干擾越大，反之越小。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)二極管反向恢復(fù)特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，針對(duì)這一特性對(duì)電路的影響進(jìn)行了理論分析，最后給出了仿真與實(shí)驗(yàn)論證，理論分析到仿真實(shí)驗(yàn)論證均表明：二極管的反向恢復(fù)電流會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，反向恢復(fù)電荷越大，則反向恢復(fù)時(shí)間就越長(zhǎng)，在功率開關(guān)管上產(chǎn)生的電流尖峰也越大，對(duì)電路的EMI干擾越大，從而會(huì)影響到卷煙設(shè)備中電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引發(fā)出故障，使得設(shè)備無法正常工作，此外，還會(huì)增加設(shè)備損耗。因此，合理的選擇二極管及有效的抑制其反向恢復(fù)電流對(duì)一個(gè)電路的設(shè)計(jì)十分重要，合理選擇電子元器件對(duì)于卷煙設(shè)備電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是極其重要的。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：梁書】