卷烟设备电控系统中二极管的EMI效应

蔡双 蔡敏 马璨

摘要： 卷烟设备电控系统中，二极管普遍存在于各电子元器件中，而二极管在关断时产生一个反向恢复电流，其与电路的寄生电感，寄生电容等分布参数一起谐振导致较大的电流尖峰，电流尖峰对电路的EMI产生很大的影响。本文首先根据二极管的反向恢复特性对其进行了分类，然后重点分析了电流尖峰产生的机理，最后通过仿真与实验论证了反向恢复特性对电流尖峰（即EMI干扰）的影响。

关键词：二极管；反向恢复；电流尖峰；EMI

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

在卷烟设备电控系统中， 二极管被广泛应用于各种电子元器件，是基本电子单元。理想的二极管在承受反向电压时二极管截止，不会有反向电流流过。然而，在实际应用中，二极管正向导通时其PN结内的电荷被积累，当二极管承受反向电压时PN结内积累的电荷释放，这样就形成了一个反向恢复电流，这个电流恢复到零点的时间与结电容等因素有关[1][2]。反向恢复电流与电路其他的分布参数（如：寄生电感，变压器漏感，寄生电容等）共同作用下将产生较强烈高频振荡，引起较大的电流尖峰，导致对电路的EMI性能产生很大的影响[3][4]。

1 二极管反向恢复特性与分类

图1给出了二极管反向恢复特性的主要波形示意图，如图1所示，二极管两端加正向电压时，二极管正偏导通，二极管两端承受一个正向电压，PN结电容存储电荷Q（Q=Q1+Q2）。在ts时刻，二极管两端加反压uD，在反压的作用下，二极管电流下降，下降到零后，由于PN结存储的电荷Q并不能立即消失，二极管仍具有导电性，并且Q开始释放形成反向电流，反向电流从零增大到iDP，反向电流使Q逐渐消失，然后PN结反向阻断能力慢慢恢复，反向电压慢慢增大到uD。图中trr为反向恢复时间且trr=tr1+tr2，tr2/tr1为软化系数SF，软化系数大表明二极管在关断的过程中反向恢复时间trr短，反之则长。iDP为最大反向恢复电流，uDP为加在二极管上最大反向电压。

根据二极管的反向恢复时间trr，可将二极管分为以下以几类，如表1所示。

2 二极管反向恢复电流对电路EMI性能的影响

据研究表明，二极管反向恢复电流会给电路工作会带来一些负面的影响，如与电路的寄生电感，寄生电容一起产生高频振荡，从而引起功率开关管两端产生很高的电流尖峰，产生较大的EMI，另外还会增加额外的功率损耗等等。下面以一个典型的功率管（MOSFET）开通电路来说明二极管反向恢复电流對电路产生的影响。

图2为功率MOSFET的开通电路图，图中，Q1为功率MOSFET，Cgs、Cgd、Cds为Q1的寄生电容，D为续流二极管，CD为二极管的寄生电容，Ls为线路寄生电路，ug为功率管Q1的驱动信号，Rg为驱动电阻。假设负载为感性负载，开通过程负载保持不变，其可等效为一个恒流源Io。

在以上基础上，功率MOSFET具体开通过程及二极管反向恢复电流对其影响的波形示意图如图3所示，具体如下所述。

阶段1[t0～t1]：在t0～t1时间段，驱动信号ug为零，功率开关管Q1处于关断状态，二极管D续流导通，负载电流Io流过D。

阶段2[t1～t2]：t1时刻，驱动信号ug突然由低变高，ug通过驱动电阻Rg开始给功率MOSFET 的结电容充电，ugs开始逐渐增加，此阶段MOSFET仍然工作在截止区，负载电流Io仍流过二极管D。

由式（4）可知，二极管的反向恢复电荷与流过功率开关管MOSFET的电流尖峰息息相关，Q越大，反向恢复时间越长，电流尖峰越大，反之越小。

此阶段，功率MOSFET的漏源极电压继续谐振下降，当其下降到零后，MOSFET由线性放大区进入电阻区。此后ugs继续上升至Ug，开通过程结束。

从以上开通过程可知，二极管的反向恢复特性与功率管流过的电流尖峰密切相关，二极管PN结在开通过程中积累的电荷Q越大，反向恢复电流越大，导致在功率管上的电流尖峰iLs-peak也越大，从而对电路的EMI干扰越大。因此，为了减小对电路EMI干扰的影响，实际电路应用中，尽量选择开关速度快的二极管，其PN结累积的电荷小，反向恢复时间短，这样在电路上产生的尖峰低，对电路的EMI干扰小。

3 仿真及实验论证

为了验证二极管反向恢复特性对电路工作的影响，在Saber环境下创建了一个Boost电路仿真模型，电压输入为200VDC，占空比a=0.5，储能电感为1mH，电路工作在电感电流连续模式下，Boost电路如图4所示。根据前面的分析可知，对于不同的二极管的反向恢复特性，其实质可等效为二极管上的PN结累积的反向恢复电荷Q（也可等效为不同二极管的寄生电容CD）下对电路电流尖峰（EMI）的影响。仿真模型中二极管选择型号为RHRP15120（D-1）及RURP1560（D-2）两种二极管，功率管为IRF460。根据厂家的数据手册可知，RHRP15120的Qrr为150nC， RURP1560的Qrr为73nC，仿真结果如图5所示。图5中给出了流过功率管的电流iLs，二极管的电流iD及驱动信号ugs。从图5中可以看出，Qrr越大的二极管反向恢复时间越慢，产生的电流尖峰越大，对电路的EMI干扰越大。

图6（a）与图6（b）分别为两种二极管工作下的实验波形，其中6（a）为RHRP15120工作下的波形图，6（b）为RURP1560对应的波形图。从图中可以看出，其实验结果与仿真结果对应。当Qrr越大时，反向恢复时间越大，电流尖峰也越大，对电路的EMI干扰越大，反之越小。

4 结论

本文首先对二极管反向恢复特性进行了简要概述，针对这一特性对电路的影响进行了理论分析，最后给出了仿真与实验论证，理论分析到仿真实验论证均表明：二极管的反向恢复电流会对电路产生较大的负面影响，反向恢复电荷越大，则反向恢复时间就越长，在功率开关管上产生的电流尖峰也越大，对电路的EMI干扰越大，从而会影响到卷烟设备中电控系统的稳定性，引发出故障，使得设备无法正常工作，此外，还会增加设备损耗。因此，合理的选择二极管及有效的抑制其反向恢复电流对一个电路的设计十分重要，合理选择电子元器件对于卷烟设备电控系统的设计是极其重要的。

参考文献：

[1]朱鹏涛，王大伟，闫民华，等， “开关电源中开关管及二极管EMI抑制方法分析研究” [J]. 电源世界，2009，10：40-43.

[2]袁義生，谌平平，穆斯塔法，等， “用于传导EMI仿真的二极管高频模型研究”[J].电力电子技术，2001，35（6）：48-51.

[3]赵隆冬， “EMI噪声分析及EMI滤波器的设计”[J].电子元器件应用，2010，12（6）： 63-66.

[4]Wang Jianjing，Chung Henry Shuhung，Li River Tinho. “Characterization and experimental assessment of the effects of parasitic elements on the mosfet switching performance” [J].IEEE Trans. on Power Electronics， 2013，28（1）： 573-590.

【通联编辑：梁书】