在電力電子設(shè)備、通信系統(tǒng)及工業(yè)控制電路中，二極管作為核心開關(guān)元件被廣泛應(yīng)用。然而，其在導(dǎo)通與關(guān)斷的瞬間往往成為電磁干擾(EMI)的主要輻射源，導(dǎo)致設(shè)備性能下降、通信中斷甚至觸發(fā)電磁兼容(EMC)測試失敗。深入探究二極管開關(guān)瞬間 EMI 的產(chǎn)生機制，對于優(yōu)化電路設(shè)計、抑制干擾具有重要的工程意義。

一、二極管開關(guān)過程的物理特性：EMI 產(chǎn)生的根源

二極管的開關(guān)特性并非理想的 “瞬時切換”，而是存在明顯的過渡過程，這一過程中的電流、電壓突變是 EMI 產(chǎn)生的核心根源。理想二極管在導(dǎo)通時電阻為零、關(guān)斷時電阻無窮大，但實際二極管受 PN 結(jié)電容、擴散電容及寄生參數(shù)影響，開關(guān)過程需經(jīng)歷 “導(dǎo)通延遲 - 電流上升 - 關(guān)斷存儲 - 電壓上升” 四個階段。

在導(dǎo)通瞬間，二極管兩端電壓從反向偏置快速轉(zhuǎn)為正向?qū)妷?硅管約 0.7V)，而電流則從零急劇上升至穩(wěn)態(tài)值，形成di/dt 突變。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的電流會在周圍產(chǎn)生變化的磁場，變化率越高，磁場強度越大。同理，在關(guān)斷瞬間，存儲在 PN 結(jié)中的載流子需要通過反向電流釋放，導(dǎo)致反向恢復(fù)電流出現(xiàn)尖峰，隨后電流迅速衰減為零，同時二極管兩端電壓快速上升至反向峰值，形成dv/dt 突變。這種電壓、電流的瞬時劇變，本質(zhì)上是一種高頻電磁振蕩源，其頻率可達 MHz 甚至 GHz 級別，極易通過空間輻射或電路傳導(dǎo)形成 EMI。

此外，二極管的反向恢復(fù)特性是加劇 EMI 的關(guān)鍵因素?？旎謴?fù)二極管、肖特基二極管雖反向恢復(fù)時間較短，但反向恢復(fù)電流尖峰更為突出;而普通整流二極管雖電流變化相對平緩，但開關(guān)延遲時間更長，導(dǎo)致電磁振蕩持續(xù)時間增加。兩種情況均會導(dǎo)致電磁能量在寬頻率范圍內(nèi)分布，形成廣譜干擾。

二、電磁耦合機制：EMI 的傳播路徑

二極管開關(guān)瞬間產(chǎn)生的電磁干擾，主要通過傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩種路徑擴散，影響周邊電路及設(shè)備。

傳導(dǎo)耦合是指干擾信號通過電源線路、信號線等導(dǎo)體傳播。二極管開關(guān)時的 di/dt 和 dv/dt 突變，會在電路的寄生電感和寄生電容上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。例如，功率回路中的導(dǎo)線電感 L 與 di/dt 的乘積(U=L×di/dt)會形成尖峰電壓，該電壓通過電源總線傳導(dǎo)至其他電路模塊，導(dǎo)致電源電壓波動，干擾敏感元件工作。同時，反向恢復(fù)電流的高頻成分會通過分布電容耦合到控制信號線，引發(fā)信號失真。

輻射耦合則是干擾信號以電磁波的形式向空間輻射，其傳播不受導(dǎo)體限制。二極管開關(guān)過程中，變化的電流會在器件封裝、引線及周邊電路形成的回路中產(chǎn)生交變磁場，變化的電壓會形成交變電場，兩者相互激勵形成電磁波。當(dāng)干擾頻率超過 30MHz 時，電磁波可穿透普通屏蔽材料，對周圍的無線通信設(shè)備、傳感器等造成干擾。此外，若電路中存在諧振回路，干擾信號可能被放大，進一步增強輻射干擾的強度。

三、電路環(huán)境與器件參數(shù)的影響：EMI 的強化因素

二極管開關(guān) EMI 的強度不僅取決于器件本身的開關(guān)特性，還受到電路拓撲、寄生參數(shù)及工作條件等因素的顯著影響，這些因素往往會進一步強化干擾效應(yīng)。

電路中的寄生參數(shù)是加劇 EMI 的重要誘因。實際電路中，二極管的封裝引線、PCB 布線、散熱片等都會引入寄生電感和寄生電容，這些參數(shù)雖數(shù)值微小，但在高頻開關(guān)場景下影響顯著。例如，封裝寄生電感會延長電流上升時間，增大 di/dt 突變的幅度;PCB 布線的分布電容會增加電壓變化的陡峭度，強化 dv/dt 帶來的干擾。此外，電路中的濾波電容、電感等元件若選型不當(dāng)，也無法有效抑制高頻干擾，導(dǎo)致干擾信號持續(xù)傳播。

器件參數(shù)的差異也會導(dǎo)致 EMI 強度不同。反向恢復(fù)電荷 Qrr 是衡量二極管開關(guān)特性的關(guān)鍵參數(shù)，Qrr 越大，反向恢復(fù)電流的峰值越高、持續(xù)時間越長，EMI 干擾越嚴重。同時，二極管的正向?qū)▔航怠⒎聪驌舸╇妷旱葏?shù)也會影響開關(guān)過程的電壓、電流變化速率，間接影響 EMI 水平。例如，肖特基二極管雖無反向恢復(fù)電流，但正向?qū)▔航递^低，若電路設(shè)計不當(dāng)，可能導(dǎo)致導(dǎo)通時的電流突變更為劇烈。

工作條件的變化同樣會強化 EMI。當(dāng)二極管工作在高頻、大電流工況下，di/dt 和 dv/dt 的絕對值會顯著增大，電磁干擾的強度也隨之提升。此外，環(huán)境溫度的升高會導(dǎo)致二極管的載流子壽命延長，反向恢復(fù)時間增加，進一步加劇開關(guān)瞬間的干擾。在多路開關(guān)電路中，若多個二極管同步開關(guān)，干擾信號會相互疊加，形成更強的電磁脈沖，對電路系統(tǒng)的干擾更為嚴重。

四、結(jié)語

二極管開關(guān)瞬間的 EMI 問題，本質(zhì)是開關(guān)過程中電壓、電流突變引發(fā)的電磁振蕩，通過傳導(dǎo)和輻射路徑擴散形成的干擾效應(yīng)，其產(chǎn)生與器件物理特性、電磁耦合機制及電路環(huán)境密切相關(guān)。隨著電力電子設(shè)備向高頻化、小型化、大功率化發(fā)展，二極管的開關(guān)速度不斷提升，EMI 問題愈發(fā)突出，已成為制約設(shè)備性能的關(guān)鍵因素。

要有效抑制二極管開關(guān) EMI，需從器件選型、電路設(shè)計、屏蔽措施等多方面入手：選用低反向恢復(fù)電荷的高速二極管、優(yōu)化 PCB 布線以減小寄生參數(shù)、設(shè)計緩沖電路抑制電壓電流突變、采用屏蔽和濾波技術(shù)阻斷干擾傳播路徑。深入理解二極管開關(guān) EMI 的產(chǎn)生機制，可為工程實踐中的干擾抑制提供理論支撐，推動電子設(shè)備向更高性能、更低干擾的方向發(fā)展。