Осциллограф показывает красивую картинку: ровные прямоугольные импульсы, аккуратные фронты, предсказуемая скважность. Схема ведёт себя именно так, как задумано. А потом берётся анализатор спектра, подключается к шинам питания или к корпусу устройства, и начинается самое неприятное. На экране появляются горбы помех, которых нет ни в одной симуляции. Их источник неочевиден, и именно этим он опасен. Чаще всего за этими горбами стоит обратное восстановление диода: физический процесс, о котором принято упоминать вскользь в учебниках, но который в реальной схеме способен стать главным источником электромагнитных помех во всём рабочем диапазоне частот.
Накопленный заряд который не исчезает мгновенно при смене направления тока
Чтобы понять, почему диод ведёт себя именно так, нужно вернуться к основам. Когда через p-n переход течёт прямой ток, в базовой области диода накапливаются неосновные носители заряда: дырки в n-области и электроны в p-области. Эта накопленная "толпа" носителей существует, пока ток течёт в прямом направлении, и именно она обеспечивает низкое сопротивление открытого диода. Всё выглядит просто и логично, пока ток не начинает менять направление.
При переключении транзистора в импульсном конвертере ток через диод обрывается резко. Напряжение на диоде меняет знак. Но накопленный заряд никуда не исчезает мгновенно: носители должны либо рекомбинировать, либо вытечь из области перехода в обратном направлении. Пока этого не произошло, диод остаётся проводящим, несмотря на обратное напряжение на аноде. Через него течёт обратный ток, нарастающий до максимального значения Irr и затем спадающий до нуля. Весь этот переходный процесс и есть обратное восстановление. Время его протекания обозначается trr и для обычных выпрямительных диодов составляет от 200 нс до нескольких микросекунд. Для быстрых диодов серий ultrafast trr снижается до 20-75 нс, для диодов с барьером Шоттки процесс обратного восстановления практически отсутствует, поскольку ток через них обеспечивается в основном большинством носителей.
Заряд обратного восстановления Qrr, интеграл обратного тока по времени, является ключевым паспортным параметром. Для быстрых диодов 600 В Qrr лежит в диапазоне 50-500 нКл, для обычных выпрямителей достигает единиц микрокулон. Именно этот заряд, вытекая обратно через диод, создаёт в схеме ток, которого не должно было быть, и именно он становится источником всех последующих неприятностей.
Как обратный ток превращается в импульс помехи с крутым фронтом
Пиковое значение обратного тока Irr в реальных схемах при напряжениях шины 200-400 В может достигать десятков ампер за время единиц наносекунд. Скорость нарастания тока di/dt в этот момент сопоставима с di/dt при включении силового транзистора, а иногда и превышает её. Это важнейший факт: именно крутизна фронта тока, а не его абсолютная амплитуда, определяет спектральное содержание помехи.
Простая физика: чем круче нарастает ток, тем шире полоса частот, в которой этот ток имеет заметную спектральную плотность. Импульс тока с фронтом 10 нс содержит значимые гармоники вплоть до частот порядка 1/(πtrise), то есть примерно до 30 МГц и выше. Схема, коммутирующая 50 А за 10 нс при обратном восстановлении диода, генерирует шумовой ток с амплитудой, убывающей по закону не быстрее 20 дБ на декаду вплоть до этой граничной частоты.
Ток обратного восстановления течёт по силовой петле: конденсатор шины, диод, транзистор. Эта петля имеет паразитную индуктивность, неизбежную в любой реальной разводке. При резком обрыве обратного тока (момент окончания восстановления диода) индуктивность петли формирует выброс напряжения по закону U = L * di/dt. Выброс прикладывается к диоду и транзистору, и его амплитуда при паразитной индуктивности петли 20 нГн и скорости спада тока 5 А/нс достигает 100 В сверх напряжения шины. Именно этот выброс провоцирует высокочастотные звонки, видимые на осциллограмме как затухающие осцилляции на вершине или спаде импульса.
Мягкое и жёсткое восстановление: характер спада тока решает всё
Диоды различаются не только временем и зарядом обратного восстановления, но и характером спада обратного тока, и это различие имеет принципиальное значение для уровня помех.
Жёсткое восстановление (snappy recovery) характеризуется резким обрывом обратного тока после достижения Irr. Ток спадает от пика до нуля за время tb, которое значительно меньше времени нарастания ta. Отношение tb/ta называется коэффициентом мягкости (softness factor) и для жёстких диодов составляет 0,1-0,3. Именно жёсткий обрыв создаёт максимальную di/dt в момент восстановления и, как следствие, максимальный выброс напряжения и максимально широкий спектр помехи.
Мягкое восстановление (soft recovery) предполагает плавный, почти линейный спад обратного тока. Коэффициент мягкости приближается к 1 или превышает его. Выброс напряжения при этом существенно меньше, а спектральные составляющие помехи сосредоточены в более низкочастотной области. Специализированные диоды с мягким восстановлением, которые обозначаются в каталогах как soft-recovery или hyperfast, разрабатываются с профилированием распределения легирования базовой области именно для получения нужного характера спада тока.
Практическая разница между жёстким и мягким диодом в одной и той же схеме бывает разительной. Замена стандартного быстрого диода на мягкий аналог с таким же trr снижает амплитуду выброса напряжения в 2-4 раза и уменьшает высокочастотные помехи по шине питания на 10-20 дБ без каких-либо других изменений в схеме.
Где прячется обратное восстановление в топологиях импульсных конвертеров
Разные топологии импульсных преобразователей подвержены этой проблеме по-разному, и понимание того, какой именно диод работает в режиме обратного восстановления, позволяет сразу направить усилия в нужное место.
В понижающем конвертере (buck) диод свободного хода при включении силового транзистора оказывается под прямым напряжением шины. Скорость нарастания тока через транзистор ограничена именно процессом вытеснения заряда из этого диода. Пока диод не восстановился, оба прибора одновременно проводят ток, и по силовой цепи течёт сквозной ток, ограниченный только паразитными сопротивлениями. Этот момент является наиболее нагруженным с точки зрения потерь и помех.
В повышающем конвертере (boost) выходной диод работает аналогично: при включении транзистора выходной диод запирается при наличии накопленного заряда. Поскольку выходное напряжение в boost-конвертере выше входного, выброс напряжения на диоде при жёстком восстановлении прикладывается уверенно поверх и без того высокого рабочего напряжения.
В мостовых схемах, в конвертерах с синхронным выпрямлением, в корректорах коэффициента мощности топология умножает количество точек, где происходит обратное восстановление, а рабочие частоты 65-600 кГц делают эти процессы постоянными и интенсивными. На частотах выше 200-300 кГц трудности с обратным восстановлением становятся одним из главных аргументов в пользу полного перехода на диоды Шоттки с нитрида галлия, которые лишены накопленного заряда в принципе.
Снабберы поглотители и схемы активного ограничения выбросов
Если замена диода на мягкий или Шоттки по тем или иным причинам невозможна, проблему решают схемотехнически. Наиболее распространённый подход, это RC-снаббер, включённый параллельно диоду. Резистор совместно с конденсатором образует демпфирующий контур, который поглощает энергию выброса напряжения и снижает добротность паразитного LC-контура силовой петли. Типичные значения для конвертеров мощностью 100-500 Вт: конденсатор 1-10 нФ с низкой эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL), резистор 5-50 Ом. Правильно рассчитанный снаббер снижает выброс напряжения в 2-5 раз и заметно уменьшает высокочастотные звонки.
Альтернатива, насыщающийся дроссель (saturable reactor) в цепи диода, ограничивает скорость нарастания тока в момент включения транзистора. Пока ток мал, дроссель имеет высокую индуктивность и сдерживает рост тока, давая время диоду частично рекомбинировать заряд. При достижении тока насыщения индуктивность резко падает, и дроссель перестаёт ограничивать ток. Этот приём снижает Irr и di/dt одновременно.
Активное ограничение скорости нарастания тока через транзистор (gate resistor tuning) тоже влияет на обратное восстановление диода: чем медленнее нарастает ток через транзистор, тем меньше пиковый обратный ток диода. Но здесь возникает классический компромисс: медленные фронты снижают помехи, но увеличивают коммутационные потери. Для каждого конкретного конвертера существует оптимальная скорость переключения, при которой суммарные потери и уровень помех приемлемы.
Почему симуляция не видит того, что видит анализатор спектра
Большинство симуляторов электронных схем используют упрощённые модели диодов, в которых процесс обратного восстановления либо аппроксимируется грубо, либо не учитывает паразитные индуктивности реальной разводки. Модель SPICE-диода описывает накопленный заряд через параметр времени транзитного заряда TT, но характер спада тока (жёсткий или мягкий) этой моделью не воспроизводится корректно. Выброс напряжения от паразитной индуктивности петли вообще невозможно получить без явного ввода этой индуктивности в схему симуляции.
Поэтому разработчик, доверившийся симулятору без учёта паразитов, получает схему, красиво работающую на экране и источающую помехи в жизни. Реальный опыт проектирования силовой электроники формирует правило: паразитные индуктивности силовых петель должны быть включены в модель явно, а диод должен быть представлен моделью с параметрами Qrr, Irr и коэффициентом мягкости, взятыми из реального измерения.
Обратное восстановление диода молчаливо сопровождает каждое переключение в каждом импульсном преобразователе. Оно не заявляет о себе отказом или явной неисправностью. Оно просто методично засоряет спектр, нагревает снабберы, иногда выбивает транзисторы перенапряжением и отравляет жизнь тем, кто занимается сертификацией по ЭМС. Знание его физики переводит разработчика из состояния беспомощного наблюдателя в состояние человека, который понимает, что именно происходит, и точно знает, за какой рычаг нужно потянуть.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube