功率二極管及整流器的工作原理與作用

小信號二極管也可用作低功率，低電流（小于1安培）整流器或應(yīng)用中的整流器，但小信號二極管的PN結(jié)涉及較大的正向偏置電流或較高的反向偏置阻斷電壓。最終會過熱和熔化，因此使用更強大的功率二極管。

功率半導(dǎo)體二極管，簡稱為功率二極管，與其較小的信號二極管相比具有更大的PN結(jié)面積，從而實現(xiàn)高達數(shù)百安培（KA）的高正向電流能力和高達數(shù)百安培的反向阻斷電壓到幾千伏（KV）。

由于功率二極管具有較大的PN結(jié)，因此不適用于1MHz以上的高頻應(yīng)用，但可提供特殊且昂貴的高頻，高電流二極管。對于高頻整流器應(yīng)用，通常使用肖特基二極管，因為它們的反向恢復(fù)時間短，并且在正向偏置條件下具有低壓降。

功率二極管提供不受控制的電源整流，用于電池充電和直流電源以及交流整流器和逆變器等應(yīng)用。由于它們的高電流和電壓特性，它們還可以用作續(xù)流二極管和緩沖網(wǎng)絡(luò)。

功率二極管設(shè)計為具有歐姆分?jǐn)?shù)的正向“導(dǎo)通”電阻，而其反向阻斷電阻在兆歐范圍內(nèi)。一些較大功率的功率二極管設(shè)計為“螺柱安裝”在散熱器上，將其熱阻降低到0.1到1 ℃/ Watt之間。

如果在功率二極管上施加交流電壓，則在正半周期期間，二極管將傳導(dǎo)通過電流，并且在負(fù)半周期期間，二極管將不會阻擋電流。然后，通過功率二極管的傳導(dǎo)僅在正半周期期間發(fā)生，因此是單向的，即如圖所示的DC。

功率二極管整流器工作原理

功率二極管整流器電路圖

功率二極管可以如上單獨使用或連接在一起以產(chǎn)生各種整流器電路，例如“半波”，“全波”或“橋式整流器”。每種類型的整流器電路可以被分類為不受控制的，半控制的或完全受控的，其中不受控制的整流器僅使用功率二極管，完全可控的整流器使用晶閘管（SCR），半控整流器是二極管和晶閘管的混合。

用于基本電子應(yīng)用的最常用的單獨功率二極管是通用型1N400x系列玻璃鈍化型整流二極管，其標(biāo)準(zhǔn)額定值為1.0安培的連續(xù)正向整流電流，反向阻斷電壓額定值為1N4001的50v至1N4007的1000v小型1N4007GP是最受歡迎的通用電源電壓整流。

半波整流

整流器是其轉(zhuǎn)換電路交流（AC）輸入功率轉(zhuǎn)換成一個直流（DC）輸出功率。輸入電源可以是單相或多相電源，所有整流電路中最簡單的是半波整流器。

半波整流電路中的功率二極管僅通過交流電源的每個完整正弦波的一半，以便將其轉(zhuǎn)換為直流電源。然后這種類型的電路稱為“半波”整流器，因為它只通過輸入交流電源的一半，如下圖所示。

半波整流電路

半波整流電路圖

在AC正弦波的每個“正”半周期期間，二極管正向偏置，因為陽極相對于陰極是正的，導(dǎo)致電流流過二極管。

由于直流負(fù)載是電阻性的（電阻器，R），因此流入負(fù)載電阻的電流與電壓（歐姆定律）成正比，因此負(fù)載電阻兩端的電壓將與電源電壓Vs相同（減去Vƒ），即負(fù)載兩端的“DC”電壓為正弦波的第一個半周期只所以成為Vout = Vs的。

在AC正弦輸入波形的每個“負(fù)”半周期期間，二極管反向偏置，因為陽極相對于陰極是負(fù)的。因此，沒有電流流過二極管或電路。然后在電源的負(fù)半周期中，沒有電流流過負(fù)載電阻，因為沒有電壓出現(xiàn)在其上，因此，Vout = 0。

電路的直流側(cè)的電流在一個方向上流動，只使電路單向。由于負(fù)載電阻從二極管接收波形的正半部分，零伏特，波形的正半部分，零伏特等，該不規(guī)則電壓的值將等于0.318 * Vmax的等效直流電壓。輸入正弦波形的輸入或輸入正弦波形的0.45 * Vrms。

然后如下計算負(fù)載電阻兩端的等效DC電壓V DC。

半波整流波形圖

整流直流電壓方程

V DC和電流I DC，流經(jīng)連接到240 Vrms單相半波整流器的100Ω電阻，如上所示。還計算負(fù)載消耗的直流功率。

功率二極管電流方程

在整流過程中，所得到的輸出DC電壓和電流因此在每個循環(huán)期間都是“ON”和“OFF”。由于負(fù)載電阻兩端的電壓僅在周期的正半周期間（輸入波形的50％）存在，因此導(dǎo)致向負(fù)載提供低平均DC值。

在“ON”和“OFF”條件之間整流輸出波形的變化產(chǎn)生具有大量“紋波”的波形，這是不希望的特征。產(chǎn)生的DC紋波的頻率等于AC電源頻率的頻率。

通常在對交流電壓進行整流時，我們希望產(chǎn)生“穩(wěn)定”且連續(xù)的直流電壓，不受任何電壓變化或波動的影響。一種方法是在輸出電壓端子上與負(fù)載電阻并聯(lián)連接一個大值電容，如下所示。這種類型的電容器通常稱為“儲存器”或平滑電容器。

具有平滑電容器的半波整流器

帶有平滑電容器的功率二極管電路圖

當(dāng)整流用于從交流（AC）電源提供直流電壓（DC）電源時，可以通過使用更大值的電容器來進一步減少紋波電壓的量，但是對于平滑類型的成本和尺寸都存在限制使用電容器。

對于給定的電容值，較大的負(fù)載電流（較小的負(fù)載電阻）將使電容器更快地放電（RC時間常數(shù)），從而增加所獲得的紋波。那么對于使用功率二極管的單相半波整流電路來說，僅通過電容器平滑來嘗試降低紋波電壓是不太實際的。在這種情況下，使用“全波整流”代替更為實際。

實際上，半波整流器最常用于低功率應(yīng)用，因為它們的主要缺點是：輸出幅度小于輸入幅度，在負(fù)半周期內(nèi)沒有輸出，因此浪費了一半的功率，輸出是脈沖DC，導(dǎo)致紋波過大。

為了克服這些缺點，許多功率二極管連接在一起以產(chǎn)生全波整流器，我們在下一篇文章再來討論。

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