功率二极管及整流器的工作原理与作用

小信号二极管也可用作低功率，低电流（小于1安培）整流器或应用中的整流器，但小信号二极管的PN结涉及较大的正向偏置电流或较高的反向偏置阻断电压。最终会过热和熔化，因此使用更强大的功率二极管。

功率半导体二极管，简称为功率二极管，与其较小的信号二极管相比具有更大的PN结面积，从而实现高达数百安培（KA）的高正向电流能力和高达数百安培的反向阻断电压到几千伏（KV）。

由于功率二极管具有较大的PN结，因此不适用于1MHz以上的高频应用，但可提供特殊且昂贵的高频，高电流二极管。对于高频整流器应用，通常使用肖特基二极管，因为它们的反向恢复时间短，并且在正向偏置条件下具有低压降。

功率二极管提供不受控制的电源整流，用于电池充电和直流电源以及交流整流器和逆变器等应用。由于它们的高电流和电压特性，它们还可以用作续流二极管和缓冲网络。

功率二极管设计为具有欧姆分数的正向“导通”电阻，而其反向阻断电阻在兆欧范围内。一些较大功率的功率二极管设计为“螺柱安装”在散热器上，将其热阻降低到0.1到1 ℃/ Watt之间。

如果在功率二极管上施加交流电压，则在正半周期期间，二极管将传导通过电流，并且在负半周期期间，二极管将不会阻挡电流。然后，通过功率二极管的传导仅在正半周期期间发生，因此是单向的，即如图所示的DC。

功率二极管整流器工作原理

功率二极管整流器电路图

功率二极管可以如上单独使用或连接在一起以产生各种整流器电路，例如“半波”，“全波”或“桥式整流器”。每种类型的整流器电路可以被分类为不受控制的，半控制的或完全受控的，其中不受控制的整流器仅使用功率二极管，完全可控的整流器使用晶闸管（SCR），半控整流器是二极管和晶闸管的混合。

用于基本电子应用的最常用的单独功率二极管是通用型1N400x系列玻璃钝化型整流二极管，其标准额定值为1.0安培的连续正向整流电流，反向阻断电压额定值为1N4001的50v至1N4007的1000v小型1N4007GP是最受欢迎的通用电源电压整流。

半波整流

整流器是其转换电路交流（AC）输入功率转换成一个直流（DC）输出功率。输入电源可以是单相或多相电源，所有整流电路中最简单的是半波整流器。

半波整流电路中的功率二极管仅通过交流电源的每个完整正弦波的一半，以便将其转换为直流电源。然后这种类型的电路称为“半波”整流器，因为它只通过输入交流电源的一半，如下图所示。

半波整流电路

半波整流电路图

在AC正弦波的每个“正”半周期期间，二极管正向偏置，因为阳极相对于阴极是正的，导致电流流过二极管。

由于直流负载是电阻性的（电阻器，R），因此流入负载电阻的电流与电压（欧姆定律）成正比，因此负载电阻两端的电压将与电源电压Vs相同（减去Vƒ），即负载两端的“DC”电压为正弦波的第一个半周期只所以成为Vout = Vs的。

在AC正弦输入波形的每个“负”半周期期间，二极管反向偏置，因为阳极相对于阴极是负的。因此，没有电流流过二极管或电路。然后在电源的负半周期中，没有电流流过负载电阻，因为没有电压出现在其上，因此，Vout = 0。

电路的直流侧的电流在一个方向上流动，只使电路单向。由于负载电阻从二极管接收波形的正半部分，零伏特，波形的正半部分，零伏特等，该不规则电压的值将等于0.318 * Vmax的等效直流电压。输入正弦波形的输入或输入正弦波形的0.45 * Vrms。

然后如下计算负载电阻两端的等效DC电压V DC。

半波整流波形图

整流直流电压方程

V DC和电流I DC，流经连接到240 Vrms单相半波整流器的100Ω电阻，如上所示。还计算负载消耗的直流功率。

功率二极管电流方程

在整流过程中，所得到的输出DC电压和电流因此在每个循环期间都是“ON”和“OFF”。由于负载电阻两端的电压仅在周期的正半周期间（输入波形的50％）存在，因此导致向负载提供低平均DC值。

在“ON”和“OFF”条件之间整流输出波形的变化产生具有大量“纹波”的波形，这是不希望的特征。产生的DC纹波的频率等于AC电源频率的频率。

通常在对交流电压进行整流时，我们希望产生“稳定”且连续的直流电压，不受任何电压变化或波动的影响。一种方法是在输出电压端子上与负载电阻并联连接一个大值电容，如下所示。这种类型的电容器通常称为“储存器”或平滑电容器。

具有平滑电容器的半波整流器

带有平滑电容器的功率二极管电路图

当整流用于从交流（AC）电源提供直流电压（DC）电源时，可以通过使用更大值的电容器来进一步减少纹波电压的量，但是对于平滑类型的成本和尺寸都存在限制使用电容器。

对于给定的电容值，较大的负载电流（较小的负载电阻）将使电容器更快地放电（RC时间常数），从而增加所获得的纹波。那么对于使用功率二极管的单相半波整流电路来说，仅通过电容器平滑来尝试降低纹波电压是不太实际的。在这种情况下，使用“全波整流”代替更为实际。

实际上，半波整流器最常用于低功率应用，因为它们的主要缺点是：输出幅度小于输入幅度，在负半周期内没有输出，因此浪费了一半的功率，输出是脉冲DC，导致纹波过大。

为了克服这些缺点，许多功率二极管连接在一起以产生全波整流器，我们在下一篇文章再来讨论。

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