大纲
介绍
我们知道，小信号二极管用于电流转向、过电压保护、开关电路、箝位电路、抑制小波形的持续时间，以及最重要的:功率转换(从交流到直流)。小信号二极管只在一个方向上传导电流:从阳极到阴极，这是将交流电转换为直流电时最重要的特性。这种电流转换的过程称为整流，所使用的电路称为整流器。
但由于正向电流和反向偏置电压较大，小信号二极管在整流过程中可能会过热而损坏。在这种情况下，功率半导体二极管被用来克服过剩的电流和电压。
功率半导体二极管是一种晶体半导体器件，也称为功率二极管，主要用于整流。这种整流过程在现代电子和电气设备的所有电源中最为常见。与小信号二极管类似，功率二极管也只在一个方向上导电，这个方向被认为是它的正方向，但不在反方向上导电。功率二极管的功能似乎类似于机械/电气单向阀。
功率二极管有非常大的P-N结面积，因此，他们有更高的正偏载电流容量比较小的半导体信号。功率二极管通常能够通过几千安(KA)的正向电流和几千伏(KV)的反向电压。这使得功率二极管比小信号或低功率二极管更适合于需要关注大量电流和电压的应用。
功率二极管可以根据其两个重要的特性进行额定:它们在前进方向上能够携带的最大电流和它们能够承受的最大反向偏置电压。由于功率二极管的ON电阻，在电流传导过程中会出现一个小的压降。另一方面，功率二极管可以承受一定数量的反向偏置电压，在击穿条件下，它停止功能。
功率二极管符号
电源二极管的符号如下所示。符号类似于正常二极管，但分别可列举阳极和阴极作为A和k。
电力二极管的结构与小信号或低功耗二极管略有不同。典型二极管的结构如下所示。
有一个重掺杂的n+区域，形成二极管的阴极。在这一点上，有一个轻度掺杂的n-外延。在这个外延中，一个重掺杂的p+区域扩散，以形成p - n结。这个p+区域形成二极管的阳极。外延，也称为漂移层，将决定结区。当向前偏置时，漂移层增加了一个显著数量的欧姆电阻二极管，因为它是轻微掺杂。它的宽度决定了反向击穿电压。
电源二极管在前方偏置
当功率二极管正向偏置时，来自阳极的多余的P型载流子被注入到n-外延层。在高水平的注入，这些过剩的P型载流子将到达n- n+结，并吸引电子从阴极即n+区域。现在电子被注入到n-区(漂移区)。这种现象被称为双注入。阳极中多余的P型载流子和阴极中多余的n型载流子在n-外延区(漂移区)中扩散并复合。其结果是电导率调制，其中的电导率漂移区域大大增加。这使得正向偏置功率二极管的I V特性更线性。
反向偏置的电源二极管
和普通二极管一样，功率二极管在反向偏置时也不导电。只有少量反向漏电流反向流动。对于额定正向电流为1000 a的功率二极管，反向电流仅为100 m a。在击穿电压下，由于冲击电离和雪崩倍增，反向电流迅速增加。
电力二极管的I V特性显示在下图中。
功率二极管主要用硅制造，但有时也用砷化镓。磷、砷和锗等材料作为掺杂剂形成阳极(n+)，硼、铝和镓作为掺杂剂形成阴极(p+)。
电源二极管旨在提供不受控制的电源整流，可用于电池，直流电源和高压直流电力传输系统以及交流电路和逆变器的整流器中的应用。由于它们的高电流和高压特性，它们也被用作飞轮二极管和波形缓冲网络。由于电力二极管具有非常大的P-N结区域，因此对于高于1兆赫兹的频率，它可能不适用于高频应用。然而，需要设计高频和大电流二极管。肖特基二极管通常用于高频整流等应用。正向偏置时，其低反向恢复时间和电压降的原因。
如果用一个功率二极管将交流转换为直流，那么它会产生半波变化的直流。如果一个电路中使用了多个二极管，当它转换一个变化的正负一半时，就产生一个全波变化的直流交流波变成可变的直流电，因此产生全波整流电流。桥式整流器是一种全波变直流电路，其中连接了四个二极管。它为任何一个输入极性提供一个相似的极性输出。全波整流器或桥式整流器不能在恒定电压下提供直流电流，为现代电子和电气设备供电。因此，平滑电容器通常连接整流器的输出，以平滑产生的波纹电压。
电源二极管使用不同类型的IC包。典型的例子可包括以下内容
- DO -二极管外形
- SOD -小型外形二极管
- TO -晶体管外形
- SOT -小外形晶体管
- 金属电极无铅面。
D2PAK -离散封装是一个巨大的表面安装封装，其中也包括一个散热器。
电力二极管的数据表包括以下内容。
1.前进平均电流
2.向前均方根电流
3.平均正向功率损耗
在使用电源二极管设计整流器时，我们永远不会超过这些参数。
整流器在结构上有多种形式，包括老式的真空管二极管、铜和其他金属氧化物整流器以及汞弧阀。近年来，随着半导体电子学的引入，整流器大多由半导体二极管、晶闸管或可控硅整流器(SCRs)(晶闸管的一种)和其他硅基半导体开关构成。整流过程除了产生直流电外，还可以作为一种动力来源。值得注意的是，无线电信号的探测器也可以用作整流器。由于交流正弦波的闪烁和变化性质，整流过程本身产生的直流电是单向的，也是由电流脉冲组成的。整流器的许多应用包括收音机、电视、计算机和其他需要稳定、恒定直流电流的电子通信设备的电源。在这些电子应用中，整流器的输出通过电子平滑滤波器或电容器平滑，以产生恒定形式的电流。
在极低电流到大电流的整流中，各种半导体二极管如结型二极管、肖特基二极管等得到了广泛的应用。各种类型的硅基半导体器件用于大功率整流器，例如用于高压直流输电系统的整流器。硅基半导体器件包括晶闸管和许多其他受控制的固态开关，有效地作为二极管在一个方向上通过直流电流。
基于交流电流的类型，整流电路可以被分类为单相或多相。家用设备的大多数低到中等功率整流器是单相，而三个相整流器对工业应用非常重要，并且在能量传播过程中作为DC的过程。
现在有各种各样的整流电路。它们可以是半波整流器，全波整流器和/或桥式整流器。这些整流电路的每一种类型都可以分为无控制、半控制或完全控制器件。
电源整流器的特点
- 简化机械设计，快速组装
- 高浪涌能力
- 大的爬电距离
- 为工业应用设计和培训
半波整流
整流可以定义为把交流电转换成直流电的过程。整流器的电源可以是单相或多相交流电。考虑单相电源的半波整流器的简单情况。如果交流正弦波被应用到它作为输入，那么无论是正的或负的一半的交流正弦波是通过(取决于二极管的正向偏置条件)阻断另一半的正弦波。由于在正向偏置期间，只有一半的输入波形到达输出，通过电阻的平均电压比通常低。
使用单相电源或多相电源的半波整流只需要一个二极管。整流器会产生单向的、脉动的直流电。半波整流器比全波整流器产生更多的波纹，并且需要一个平滑电容器来消除直流输出的交流谐波频率。用于半波整流的二极管可以是1N400X系列整流二极管中的任何一个。
存在于电路末端的DC负载是电阻器，因此流过负载电阻的电流与电阻负载两端的电压成比例，这与电源电压相同。导致负载的直流电压是前半周期的正弦波，即，VR.= Vs。
在输入交流正弦波的负半周期，二极管将反向偏置。因此，没有电流通过二极管或电路。因此，对于负半周期输入，没有电流流过阻性负载，因为没有电压出现在负载上。
V.出去= 0
当负载电阻器接收到替代波形的一半正电压和替代零电压时，那么这个替代不规则电压的值可以看作是等效的直流电压0.318 * V峰也可以是0.45 x Vrms的输入正弦波形，其中
V.rms= V峰/√2
半波整流没有多大用处，因为输出信号将在突发中可用，并且是不连续的。家用半波整流器的最佳应用是两级灯调光器。半波整流在50Hz或60Hz交流输入产生直流输出时不是很有效。此外，二极管电流的输出脉冲之间的间隙使其更难消除整流过程后残留的交流纹波。
带平滑电容器的半波整流器
在交流电流整流到直流电的过程中，通过将一个电容并联在阻性负载上，直流输出中的纹波量将大大减少。为了消除直流输出中大量的交流谐波频率，电容器的电容应该很高，但电容器的成本和尺寸应该更小。
对于给定电容值，如果通过电阻负载的负载电流非常高，则电容器放电将更大并且DC输出中的纹波也增加。结果，使用单相的半波整流器电路不是非常实用的，不能通过单独使用单个平滑电容来降低DC输出中的纹波电压。此时，使用全波整流而不是半波整流更常见。
在半波整流器中，输出幅度将小于输入幅度，并且在负半周期期间没有输出，因此浪费的一半电力并且输出是脉冲的DC，导致过多的涟漪。在实践中，由于功率浪费的主要缺点，半波整流器最常用于低功耗应用。为了克服这一点，多个电力二极管连接在一起以产生全波整流器。
全波整流
全波整流电路将整个输入正弦波转换为其输出的正负极性之一。全波整流将输入正弦波形的两个极性转换为脉冲直流电。在电阻负载下的平均输出电压非常高。全波整流需要两个带中心抽头变压器的功率二极管或四个桥式配置的不带任何中心抽头变压器的功率二极管。如果使用带有中心抽头的二次绕组的变压器，则可以实现全波整流的更高效率
如果每个反相输出是由两个二极管中的一个整流的半波，每个二极管让它们在交替的半周期上进行，每个周期发生两个电流脉冲，相比之下，在半波整流器中每个周期只有一个脉冲。频率在全波整流器的输出结果,输入频率的两倍,也全波整流器的输出电压是单相半波整流电路输出电压的两倍即输出直流相当于VPEAK x 0.637而不是VPEAK x 0.318,因为错过了半波周期现在纠正,与半波整流电路相比，减少了破碎功率。高输出频率的全波整流电路也使平滑任何剩余的交流波纹更容易在输出波形。由于输出不是所需的纯直流输出，输出的质量可以通过一个称为纹波因子的量来测量。它可以定义为最大电压与最小电压之差与平均电压DC输出波形。
波纹因子=（max-min）/平均值
桥式整流器
另一种类型的整流电路，其产生与全波整流电路的类似DC输出波形是全波桥式整流电路。作为名称表示，全波桥整流器需要四个电源二极管，该电源二极管布置为桥接电路，如图所示，以提供全波整流，而无需任何中心螺纹变压器。必须针对每个半周期观察到，相反对的二极管将导通，而流过负载的电流量保持在正极和负半周期的相同极性。二极管D1和D2对输入（AC供应）的正半周期进行，而D3和D4为负半周期进行。
为了消除直流输出波形中的波纹，应该使用典型值为100微法拉或更多的平滑电容器。在选择平滑电容器时，需要考虑的参数是工作电压和电容值。工作电压的值应大于空载连接时整流器的输出值。
