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二極管？
二極管
二極管內(nèi)部的寄生電容和寄生電感是由二極管的化學(xué)結(jié)構(gòu)和工藝制造過(guò)程造成的。它們是不可避開(kāi)的，由于它們是元件結(jié)構(gòu)的固有特點(diǎn)。
寄生電容主要是由PN結(jié)和接觸處的空間電荷區(qū)造成的。在二極管中，寄生電容會(huì)造成訊號(hào)的反饋、降低二極管的高頻響應(yīng)和降低噪音等問(wèn)題。
寄生電感則是由電壓通過(guò)線(xiàn)圈時(shí)形成的磁場(chǎng)導(dǎo)致的。它會(huì)造成訊號(hào)的傳輸延后和能量損失等問(wèn)題。同時(shí)，因?yàn)榧纳姼袝?huì)促使二極管的高頻特點(diǎn)變差，因而在高頻應(yīng)用中，須要非常注意抑制和降低寄生電感的影響。
二極管的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，須要盡可能地減少其影響，以保證元件的性能和可靠性。
MOS管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)尖峰與電流電壓的瞬態(tài)變化以及寄生參數(shù)(寄生電感、寄生電容)有關(guān)，非常是針對(duì)高頻開(kāi)關(guān)。在MOS開(kāi)通過(guò)程中，伴隨很大的電流瞬變三極管基極電流過(guò)大怎么辦，即dv/dt，因而在寄生電容中形成大的位移電壓Cdv/dt，產(chǎn)生電壓尖峰；在MOS關(guān)斷過(guò)程中，通道內(nèi)形成電壓瞬變，di/dt，瞬變電壓在寄生電感端形成尖峰電流Ldi/dt。依據(jù)公式u=-Ldi/dt，在縮減尖峰時(shí)我們可以相應(yīng)從這幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：1.關(guān)斷前的電壓2.開(kāi)關(guān)速率3.電路中電感（包括寄生電感）
寄生電容、寄生電感
在二極管內(nèi)部，因?yàn)殡妷旱牧鲃?dòng)和元件結(jié)構(gòu)的特性，會(huì)存在一些線(xiàn)圈或環(huán)型電壓路徑，因而形成寄生電感。這種線(xiàn)圈或電壓路徑主要包括以下幾種：
基區(qū)-發(fā)射區(qū)的電壓路徑：在二極管中，基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間的電壓路徑產(chǎn)生了一個(gè)線(xiàn)圈，因而形成了一個(gè)寄生電感Lg。
基極-基區(qū)的電壓路徑：柵極與基區(qū)之間的電壓路徑也產(chǎn)生了一個(gè)線(xiàn)圈，因而形成了一個(gè)寄生電感Lc。
包裹柵極的漏磁線(xiàn)圈：在個(gè)別特殊結(jié)構(gòu)的二極管中，柵極周?chē)幸粋€(gè)包裹柵極的漏磁線(xiàn)圈，也會(huì)形成一個(gè)寄生電感Llkg。
這種寄生電感的形成主要是因?yàn)殡妷涸诰€(xiàn)圈中的自感作用和磁場(chǎng)的感應(yīng)作用導(dǎo)致的。這種寄生電感的存在會(huì)影響二極管的高頻特點(diǎn)和穩(wěn)定性，因而在二極管的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中須要盡可能地增加其影響。
當(dāng)考慮到二極管內(nèi)部的寄生電容和寄生電感時(shí)，二極管的等效電路圖會(huì)顯得愈發(fā)復(fù)雜。里面圖中以PNP二極管為例，包含了寄生電容和寄生電感的等效電路圖:
圖中Cgs、Cgd、Cds分別為基極與源極和基極與漏極以及漏極與源極之間的等效電容，其中基頻與漏極之間的電容Cgd就是臭名昭著的****。
Lg和Ld則是集電極線(xiàn)圈和集電纜線(xiàn)圈的寄生電感。除此之外，Rg和Rd則是集電極內(nèi)阻和集電內(nèi)阻，它們代表了二極管中的有源區(qū)和耗散區(qū)。這種寄生器件的存在會(huì)對(duì)二極管的電路性能形成影響，須要在電路設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行充分考慮。
上圖中所示的等效電路圖只是一種可能的模型，實(shí)際上，二極管的等效電路圖可能因元件類(lèi)型、工作頻度等誘因而不同。在實(shí)際電路中，須要進(jìn)行精確的電路仿真和檢測(cè)，以得到更確切的二極管等效電路模型。
反向沖擊電流
在二極管關(guān)斷時(shí)，因?yàn)樨?fù)載電感等誘因，電壓未能頓時(shí)中斷，而是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反向電流沖擊。這個(gè)沖擊會(huì)形成在負(fù)載電感兩端，同時(shí)也會(huì)傳播到二極管的柵極。在柵極處，因?yàn)榇嬖跂艠O發(fā)射結(jié)，集電極發(fā)射結(jié)的反向耐壓是有限的，而負(fù)載電感形成的反向電流沖擊是特別高的，因而會(huì)造成柵極發(fā)射結(jié)頓時(shí)擊穿，形成一個(gè)反向電壓，即所謂的反向電流沖擊。
這個(gè)反向電壓會(huì)頓時(shí)將二極管的柵極電位拉低，因而使二極管步入一個(gè)高阻態(tài)，即關(guān)斷狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程十分短暫，通常只有毫秒級(jí)別的時(shí)間，而且因?yàn)榉聪螂妷旱念D時(shí)高峰值和短脈沖長(zhǎng)度，會(huì)給二極管的柵極和發(fā)射極帶來(lái)一定的熱量和壓力，因而會(huì)對(duì)二極管的可靠性和壽命導(dǎo)致影響。
負(fù)載電感
這些反向沖擊電流一般是由于負(fù)載電感造成的。負(fù)載電感一般是指在二極管的基極和負(fù)載之間串聯(lián)的電感。在實(shí)際電路中，二極管經(jīng)常拿來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、燈泡等負(fù)載，而這種負(fù)載本身就帶有一定的電感，同時(shí)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路中也會(huì)添加電感器件來(lái)過(guò)濾電源噪音、提高穩(wěn)定性等。這種電感器件和負(fù)載電感一起構(gòu)成了整個(gè)電路的負(fù)載電感。
降低負(fù)載電感的影響
當(dāng)二極管關(guān)斷時(shí)，因?yàn)樨?fù)載電感的存在，電壓未能頓時(shí)中斷，而是會(huì)形成反向電流沖擊，這些沖擊會(huì)在負(fù)載電感兩端形成。因而，為了限制這些反向電流沖擊，可以在負(fù)載電感兩端加入一個(gè)反向恢復(fù)晶閘管，拿來(lái)吸收這些反向電流；或則在基頻與漏極之間并聯(lián)進(jìn)去一個(gè)電容，借此降低米勒電容值，致使反向電流給米勒電容充電因而抑制反向沖擊電流對(duì)載流子內(nèi)阻或則直接控制的GPIO的影響。
柵極的寄生電感和寄生電容與基極相比，那個(gè)更大？
通常情況下，集電極的寄生電容和寄生電感都比柵極的寄生電容和寄生電感小。這是由于柵極一般被設(shè)計(jì)為較小的結(jié)構(gòu)，它與其它兩個(gè)極之間的距離也相對(duì)較小，因而它的寄生電容和電感都比較小。而基極一般是較大的結(jié)構(gòu)，它與其它兩個(gè)極之間的距離也相對(duì)較大，因而它的寄生電容和電感都比較大。不同機(jī)型和工藝的二極管的寄生參數(shù)可能存在較大的差別，因而具體情況可能會(huì)有所不同。
二極管關(guān)斷時(shí)，集電極的寄生電感方向是哪些，基極寄生電感方向是哪些？
在二極管關(guān)斷時(shí)，集電極的寄生電感的方向是從柵極向柵極，基極的寄生電感方向是從基極向柵極。這是由于在關(guān)斷狀態(tài)下，基極電勢(shì)較高，而柵極電勢(shì)較低，電荷會(huì)在柵極和基極之間形成一定的積累，進(jìn)而造成形成寄生電容和寄生電感。
二極管關(guān)斷時(shí)的反向電流具體是有哪些形成的，這個(gè)反向電流的方向是哪些，其中反向電壓是怎樣流的？
在二極管關(guān)斷時(shí)，反向電流是由負(fù)載電感和集電極的寄生電感共同形成的。當(dāng)二極管切斷電壓時(shí)，負(fù)載電感中的電壓未能立刻消失，而是形成了一個(gè)瞬態(tài)高壓。這個(gè)高壓在二極管中形成了一個(gè)反向電流峰值，即反向電流。
這個(gè)反向電流的方向是從基極到柵極，而且是反向極性的。由于此時(shí)負(fù)載電感中的電壓會(huì)企圖維持電壓不變，但因?yàn)槎O管切斷，電壓難以繼續(xù)流過(guò)，只能通過(guò)柵極和基極之間的通道形成反向電流，并引起電壓逆向流動(dòng)。
須要注意的是，這個(gè)反向電壓的大小十分小，一般在幾微安左右，由于二極管的寄生電容和負(fù)載電感都是很小的電容和電感，并且在切斷頓時(shí)只會(huì)形成十分短暫的反向電流峰值。
柵極的寄生電容電感不會(huì)抵消掉這個(gè)反向電流嗎？
柵極的寄生電容和電感會(huì)對(duì)反向電流形成一定的影響，并且一般不足以完全抵消反向電流峰值的影響。這是由于柵極的寄生電容一般很小，而柵極的寄生電感也會(huì)遭到電路中其他器件的影響而發(fā)生變化，致使抵消療效不穩(wěn)定。
NPN二極管的仿真剖析電路現(xiàn)象展示
從仿真結(jié)果可以看出，改變柵極的下拉內(nèi)阻或電壓內(nèi)阻會(huì)影響這個(gè)反向電流大小；由于改變柵極限流內(nèi)阻會(huì)影響二極管的關(guān)斷速率，限流內(nèi)阻越小，二極管的關(guān)斷速率越快。當(dāng)限流內(nèi)阻很小的時(shí)侯，二極管的關(guān)斷速率十分快，因而儲(chǔ)存在柵極電容中的電荷會(huì)以較快的速率轉(zhuǎn)移到基極，這會(huì)形成一個(gè)很高的峰值反向電流。相反，當(dāng)限流內(nèi)阻很大的時(shí)侯，二極管的關(guān)斷速率較慢，電荷轉(zhuǎn)移速率也較慢，這意味著峰值反向電流較小。因而，集電極的限流內(nèi)阻大小直接影響二極管關(guān)斷時(shí)的反向電流大小。
驗(yàn)證柵極（漏極）的寄生電感對(duì)反向電流的影響
柵極的寄生電感值大小取決于二極管的具體結(jié)構(gòu)和工藝三極管基極電流過(guò)大怎么辦，不同機(jī)型、不同制造廠(chǎng)家的二極管寄生電感值可能會(huì)有所差別。通常來(lái)說(shuō)，基極的寄生電感值在幾帕塔到幾十帕塔之間。
驗(yàn)證過(guò)程中，直接在柵極串聯(lián)一個(gè)電感，借此來(lái)降低基極的寄生電感值，從而觀(guān)察對(duì)二極管斷電時(shí)侯反向電流的大小。
為了使療效愈加顯著，直接串聯(lián)一個(gè)3.3mH的電感，致使療效愈加顯著，便于鑒別。
將電感串聯(lián)進(jìn)去后，進(jìn)行仿真，觀(guān)察二極管關(guān)斷時(shí)候柵極的電流波形如下所示，顯著看出關(guān)斷時(shí)候形成的反向電流顯著低于不串電感之前的反向電流。
解決辦法
仿真中在二極管的集電極與發(fā)射機(jī)之間添加了一個(gè)旁路電容，形成的反向電流波動(dòng)訊號(hào)通過(guò)這個(gè)電容對(duì)地放電，因而濾除這些反向電流的干擾。右圖中a-c、b-d、e-g、f-h，可以看出，不管負(fù)載電感大小，加了這個(gè)旁路電容后，都不會(huì)形成這些反向沖擊電流；并且會(huì)帶來(lái)斷電延時(shí)，電容越大，這些斷電延時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，可以對(duì)比a-c和e-g，并且可以通過(guò)改變柵極的限流和下拉內(nèi)阻值來(lái)是關(guān)斷延時(shí)降低（由于降低了柵極的電壓，推動(dòng)了二極管的開(kāi)通速率）。電容越峰會(huì)引起米勒平臺(tái)越嚴(yán)重，所以電容不能太大。通常采用PNP的二極管可以規(guī)避這個(gè)問(wèn)題，而且又會(huì)引入新的問(wèn)題。
參考
1、鏈接：
2、