什么是二極管的電容效應(yīng)？

　　二極管具有電容效應(yīng)。它的電容包括勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。

　　1．勢壘電容CB（Cr）

　　PN結(jié)內(nèi)缺少導(dǎo)電的載流子，其電導(dǎo)率很低，相當(dāng)于介質(zhì)；而PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)、N區(qū)的電導(dǎo)率高，相當(dāng)于金屬導(dǎo)體。從這一結(jié)構(gòu)來看，PN結(jié)等效于一個(gè)電容器。

　　事實(shí)上，當(dāng)PN結(jié)兩端加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，結(jié)中空間電荷量減少，相當(dāng)于電容“放電”，當(dāng)PN結(jié)兩端加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，結(jié)中空間電荷量增多，相當(dāng)于電容“充電”。這種現(xiàn)象可以用一個(gè)電容來模擬，稱為勢壘電容。勢壘電容與普通電容不同之處，在于它的電容量并非常數(shù)，而是與外加電壓有關(guān)。當(dāng)外加反向電壓增大時(shí)，勢壘電容減小；反向電壓減小時(shí)，勢壘電容增大。目前廣泛應(yīng)用的變?nèi)荻O管，就是利用PN結(jié)電容隨外加電壓變化的特性制成的。

　　2．?dāng)U散電容CD

　　PN結(jié)正向偏置時(shí)，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在P區(qū)形成一定的非平衡載流子的濃度分布，即靠近PN結(jié)一側(cè)濃度高，遠(yuǎn)離PN結(jié)的一側(cè)濃度低。顯然，在P區(qū)積累了電子，即存貯了一定數(shù)量的負(fù)電荷；同樣，在N區(qū)也積累了空穴，即存貯了一定數(shù)即正電荷。當(dāng)正向電壓加大時(shí)，擴(kuò)散增強(qiáng)，這時(shí)由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子數(shù)和由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴數(shù)將增多，致使在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)形成了電荷堆積，相當(dāng)于電容器的充電。相反，當(dāng)正向電壓減小時(shí)，擴(kuò)散減弱，即由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子數(shù)和由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴數(shù)減少，造成兩個(gè)區(qū)域內(nèi)電荷的減少，、這相當(dāng)于電容器放電。因此，可以用一個(gè)電容來模擬，稱為擴(kuò)散電容。

　　總之，二極管呈現(xiàn)出兩種電容，它的總電容Cj相當(dāng)于兩者的并聯(lián)，即Cj＝CB + CD。二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容遠(yuǎn)大于勢壘電容 Cj≈CD ；而反向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容可以忽略，勢壘電容起主要作用，Cj≈CB 。

　　電容緩沖電路該如何設(shè)計(jì)？

　　功率開關(guān)是所有功率轉(zhuǎn)換器的核心組件。功率開關(guān)的工作性能直接決定了產(chǎn)品的可靠性和效率。若要提升功率轉(zhuǎn)換器開關(guān)電路的性能，可在功率開關(guān)上部署緩沖器，抑制電壓尖峰，并減幅開關(guān)斷開時(shí)電路電感產(chǎn)生的振鈴。正確設(shè)計(jì)緩沖器可提升可靠性和效率，并降低EMI。在各種不同類型的緩沖器中，電阻電容（RC）緩沖器是最受歡迎的緩沖器電路。本文介紹功率開關(guān)為何需要使用緩沖器。此外還提供一些實(shí)用小技巧，助您實(shí)現(xiàn)最優(yōu)緩沖器設(shè)計(jì)。

　　圖1： 四種基本的功率開關(guān)電路

　　有多種不同的拓?fù)溆糜诠β兽D(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電燈鎮(zhèn)流器中。圖1顯示四種基本的功率開關(guān)電路。在所有四種基本電路中——事實(shí)上在大部分功率開關(guān)電路中——藍(lán)線以內(nèi)表示的是同樣的開關(guān)二極管電感網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在所有這些電路中均具有相同的特性。因此，可利用圖2中的簡化電路進(jìn)行開關(guān)瞬變時(shí)針對功率開關(guān)的開關(guān)性能分析。由于開關(guān)瞬變期間，電感電流幾乎不變，因此采用電流源代替電感，如圖所示。該電路的理想電壓和電流開關(guān)波形同樣如圖2所示。

　　圖2 簡化的功率開關(guān)電路及其理想開關(guān)波形

　　MOSFET開關(guān)關(guān)斷時(shí)，它兩端的電壓將上升。然而，電流IL將繼續(xù)流過MOSFET，直到開關(guān)電壓到達(dá)Vol。二極管導(dǎo)通后，電流IL開始下降。MOSFET開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，情況相反，如圖所示。這類開關(guān)稱為“硬開關(guān)”。開關(guān)瞬變期間，必須同時(shí)支持最大電壓和最大電流。因此，這種“硬開關(guān)”會(huì)使MOSFET開關(guān)承受高電壓應(yīng)力。

　　圖3 MOSFET開關(guān)關(guān)斷瞬變時(shí)的電壓過沖

　　在實(shí)際電路中，開關(guān)應(yīng)力要高得多，因?yàn)榇嬖诩纳姼校↙p）和寄生電容（Cp），如圖4所示。由于PCB布局與走線，Cp包含開關(guān)輸出電容和雜散電容。Lp包含PCB路由寄生電感和MOSFET引線電感。這些來自功率器件的寄生電感和電容組成濾波器，并在關(guān)斷瞬變發(fā)生后立即產(chǎn)生諧振，從而將過量電壓振鈴疊加到器件上，如圖3所示。若要抑制峰值電壓，可在開關(guān)上部署一個(gè)典型RC緩沖器，如圖4所示。電阻值必須接近需減幅的寄生諧振阻抗值。緩沖器電容必須大于諧振電路電容，同時(shí)又必須足夠小，以便將電阻功耗保持在最低水平。

　　圖4： 電阻電容緩沖器配置

　　如果功耗并非關(guān)鍵因素，那么有一種方法可以快速設(shè)計(jì)RC緩沖器。由經(jīng)驗(yàn)可知，選擇緩沖器電容Csnub，使其等于開關(guān)輸出電容值與安裝電容估算值之和的兩倍。選擇緩沖器電阻Rsnub ， 所以：

　　Rsnub上的功耗可估算如下（給定開關(guān)頻率fs）：

　　當(dāng)這一簡單的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)不再限制峰值電壓時(shí)，便可執(zhí)行優(yōu)化步驟。

　　優(yōu)化RC緩沖器： 在那些功率損耗很重要的應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　首先，測量MOSFET開關(guān)節(jié)點(diǎn)（SW）在關(guān)斷時(shí)的振鈴頻率（Fring）。在MOSFET上焊接一個(gè)100 pF低ESR薄膜電容。增加電容，直到振鈴頻率為初始測量值的一半。現(xiàn)在，由于振鈴頻率與電路電感和電容乘積的平方根成反比，開關(guān)總輸出電容（增加的電容與初始寄生電容之和）增加四倍。因此，寄生電容Cp為外部所增加電容值的1/3。現(xiàn)在，式通過下可獲得寄生電感Lp：

　　一旦求出寄生電感Lp和寄生電容Cp，緩沖器電阻Rsnub和電容Csnub便可根據(jù)下列計(jì)算進(jìn)行選擇。

　　如果發(fā)現(xiàn)緩沖器電阻值過低，可對其進(jìn)一步微調(diào)以降低振鈴。

　　Rsnub上的功耗（給定開關(guān)頻率fs）等于。