功率二极管和整流器电路

功率二极管是能够以高电压值传递大电流以用于整流器电路的半导体pn结

在之前的教程中，我们看到半导体信号二极管仅传导电流从阳极到阴极的一个方向（正向），但不是反向，有点像电动单向阀。

这个特性和二极管的广泛应用一般在将交流电压（AC）转换为连续电压（DC）。换句话说，整流。

但小信号二极管也可用作低功耗，低电流（小于1安培）整流器或应用中的整流器，但其中较大的正向偏置电流或较高的反向偏置阻断电压涉及小信号二极管的PN结最终会过热和熔化，因此使用更大的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反向阻断电压高达数千伏（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，但特殊且昂贵的高频，高电流二极管可用。对于高频整流器应用肖特基二极管通常使用，因为它们的正向偏置条件具有较短的反向恢复时间和较低的压降。

功率二极管提供不受控制的功率整流，并且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。由于它们具有高电流和电压特性，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，同时它们的反向阻断电阻在兆欧范围内。一些较大值的功率二极管设计为“螺柱安装”在散热片上，将其热阻降低到0.1至1 o C / Watt。

如果交流电压为施加在功率二极管上，在正半周期期间，二极管将传导通过电流，而在负半周期期间，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

功率二极管可以单独使用，也可以连接在一起产生各种整流电路，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。

最常用的基本电子应用单独功率二极管是通用 1N400x 系列玻璃钝化型整流二极管，标准额定值为1.0安培的连续正向整流电流和反向阻断电压额定值从1N4001的50v到1N4007的1000v，小的1N4007GP是最常用的通用电源电压整流。

半波整流

整流器是将交流电（AC）输入电源转换为直流（DC）输出电源的电路。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。

功率二极管在半波整流电路中，只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，如下所示。

半波整流电路

在AC正弦波的每个“正”半周期内，二极管正向偏置，因为阳极为正极相对于阴极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与电源相同电压， Vs （负Vƒ），即负载两端的“直流”电压在前半个周期内是正弦的，因此 Vout = Vs 。

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内，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 。

直流侧的电流电路的一个方向流动仅使电路单向。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。输入正弦波形或0.45 * Vrms输入正弦波形。

然后计算负载电阻两端的等效直流电压 V DC 如下。

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。

在整流过程中产生的直流电压和电流因此在每个循环期间都是“开”和“关”。由于负载电阻两端的电压仅出现在周期的正半周期间（输入波形的50％），因此会导致向负载提供较低的平均直流值。

在“ON”和“OFF”条件之间的整流输出波形产生具有大量“纹波”的波形，这是不希望的特征。产生的直流纹波的频率等于交流电源的频率。

通常在对交流电压进行整流时，我们希望产生一个“稳定”且连续的直流电压，不受任何电压变化的影响或波纹。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“储能器”或平滑电容器。

具有平滑电容器的半波整流器

当整流用于从交流电源（ AC ）提供直流电压（ DC ）时通过使用较大值的电容器可以进一步降低纹波电压的数量，但是对于所使用的平滑电容器的类型，成本和尺寸都存在限制。

对于给定的电容值，负载电流更大（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”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，输出为脉冲DC，导致纹波过大。