功率二極管和整流器電路

功率二極管是能夠以高電壓值傳遞大電流以用于整流器電路的半導(dǎo)體pn結(jié)

在之前的教程中，我們看到半導(dǎo)體信號(hào)二極管僅傳導(dǎo)電流從陽(yáng)極到陰極的一個(gè)方向（正向），但不是反向，有點(diǎn)像電動(dòng)單向閥。

這個(gè)特性和二極管的廣泛應(yīng)用一般在將交流電壓（AC）轉(zhuǎn)換為連續(xù)電壓（DC）。換句話說(shuō)，整流。

但小信號(hào)二極管也可用作低功耗，低電流（小于1安培）整流器或應(yīng)用中的整流器，但其中較大的正向偏置電流或較高的反向偏置阻斷電壓涉及小信號(hào)二極管的PN結(jié)最終會(huì)過(guò)熱和熔化，因此使用更大的更強(qiáng)大的功率二極管

功率半導(dǎo)體二極管，簡(jiǎn)稱為功率二極管，與其較小的信號(hào)二極管相比具有更大的PN結(jié)面積，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá)數(shù)百安培（KA）的高正向電流能力和反向阻斷電壓高達(dá)數(shù)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，但特殊且昂貴的高頻，高電流二極管可用。對(duì)于高頻整流器應(yīng)用肖特基二極管通常使用，因?yàn)樗鼈兊恼蚱脳l件具有較短的反向恢復(fù)時(shí)間和較低的壓降。

功率二極管提供不受控制的功率整流，并且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。由于它們具有高電流和電壓特性，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(jì)為具有歐姆分?jǐn)?shù)的正向“導(dǎo)通”電阻，同時(shí)它們的反向阻斷電阻在兆歐范圍內(nèi)。一些較大值的功率二極管設(shè)計(jì)為“螺柱安裝”在散熱片上，將其熱阻降低到0.1至1 o C / Watt。

如果交流電壓為施加在功率二極管上，在正半周期期間，二極管將傳導(dǎo)通過(guò)電流，而在負(fù)半周期期間，二極管將不會(huì)阻擋電流。然后通過(guò)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

功率二極管可以單獨(dú)使用，也可以連接在一起產(chǎn)生各種整流電路，如“半波”，“全波”或“橋式整流器”。每種類(lèi)型的整流器電路可以被分類(lèi)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。

最常用的基本電子應(yīng)用單獨(dú)功率二極管是通用 1N400x 系列玻璃鈍化型整流二極管，標(biāo)準(zhǔn)額定值為1.0安培的連續(xù)正向整流電流和反向阻斷電壓額定值從1N4001的50v到1N4007的1000v，小的1N4007GP是最常用的通用電源電壓整流。

半波整流

整流器是將交流電（AC）輸入電源轉(zhuǎn)換為直流（DC）輸出電源的電路。輸入電源可以是單相或多相電源，所有整流電路中最簡(jiǎn)單的是半波整流器。

功率二極管在半波整流電路中，只通過(guò)交流電源的每個(gè)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(lèi)型的電路稱為“半波”整流器，因?yàn)樗煌ㄟ^(guò)輸入交流電源的一半，如下所示。

半波整流電路

在AC正弦波的每個(gè)“正”半周期內(nèi)，二極管正向偏置，因?yàn)殛?yáng)極為正極相對(duì)于陰極導(dǎo)致電流流過(guò)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)載電阻兩端的電壓與電源相同電壓， Vs （負(fù)V?），即負(fù)載兩端的“直流”電壓在前半個(gè)周期內(nèi)是正弦的，因此 Vout = Vs 。

在AC正弦輸入波形的每個(gè)“負(fù)”半周期期間，二極管反向偏置，因?yàn)殛?yáng)極相對(duì)于陰極是負(fù)的。因此，沒(méi)有電流流過(guò)二極管或電路。然后在電源的負(fù)半周期內(nèi)，沒(méi)有電流流過(guò)負(fù)載電阻，因?yàn)闆](méi)有電壓出現(xiàn)在其上，因此 Vout = 0 。

直流側(cè)的電流電路的一個(gè)方向流動(dòng)僅使電路單向。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。輸入正弦波形或0.45 * Vrms輸入正弦波形。

然后計(jì)算負(fù)載電阻兩端的等效直流電壓 V DC 如下。

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(jì)算負(fù)載消耗的直流功率。

在整流過(guò)程中產(chǎn)生的直流電壓和電流因此在每個(gè)循環(huán)期間都是“開(kāi)”和“關(guān)”。由于負(fù)載電阻兩端的電壓僅出現(xiàn)在周期的正半周期間（輸入波形的50％），因此會(huì)導(dǎo)致向負(fù)載提供較低的平均直流值。

在“ON”和“OFF”條件之間的整流輸出波形產(chǎn)生具有大量“紋波”的波形，這是不希望的特征。產(chǎn)生的直流紋波的頻率等于交流電源的頻率。

通常在對(duì)交流電壓進(jìn)行整流時(shí)，我們希望產(chǎn)生一個(gè)“穩(wěn)定”且連續(xù)的直流電壓，不受任何電壓變化的影響或波紋。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(gè)大值電容，如下所示。這種類(lèi)型的電容器通常稱為“儲(chǔ)能器”或平滑電容器。

具有平滑電容器的半波整流器

當(dāng)整流用于從交流電源（ AC ）提供直流電壓（ DC ）時(shí)通過(guò)使用較大值的電容器可以進(jìn)一步降低紋波電壓的數(shù)量，但是對(duì)于所使用的平滑電容器的類(lèi)型，成本和尺寸都存在限制。

對(duì)于給定的電容值，負(fù)載電流更大（較小的負(fù)載電阻）將使電容器更快地放電（RC時(shí)間常數(shù)），從而增加所獲得的紋波。那么對(duì)于使用功率二極管的單相半波整流電路來(lái)說(shuō)，僅通過(guò)電容器平滑來(lái)嘗試降低紋波電壓是不太實(shí)際的。在這種情況下，使用“全波整流”更為實(shí)際。

實(shí)際上，半波整流器最常用于低功率應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兊闹饕秉c(diǎn)是。輸出幅度小于輸入幅度，在負(fù)半周期內(nèi)沒(méi)有輸出，因此浪費(fèi)了一半的功率，輸出為脈沖DC，導(dǎo)致紋波過(guò)大。