大纲
介绍
我们知道小信号二极管用于电流转向等几种应用中，过电压保护，开关电路，剪切电路，夹紧电路，捕获小的持续时间波形以及最重要的是：电源转换（从AC到DC）。小信号二极管仅在一个方向上传导电流：从阳极到阴极，这是将交流电流转换为直流的最重要的特性。电流转换过程称为整流，并且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，主要用于整流的目的。这种整流过程在现代电子和电气设备的所有电源中都很常见。与小信号二极管类似，功率二极管也只在一个方向上传导电流，这个方向被认为是正方向，而不在相反的方向上传导电流。功率二极管的功能似乎类似于机械/电气单向阀。
功率二极管具有非常大的P-N结面积，因此，与较小的半导体信号相比，它们具有更高的正向偏置电流承载能力。功率二极管通常能够通过几千安培(KA)的正向电流和几千伏特(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大量电流和电压的应用。
功率二极管可以基于它们的两个重要特性：它们能够携带前向的最大电流和它们可以承受的最大的反向偏置电压。由于电力二极管的电阻，在电流的导通期间发生小的电压降。另一方面，功率二极管可以承受在其停止功能的击穿条件之前具有明确的反向偏置电压。
功率二极管符号
功率二极管的符号如下所示。该符号与普通二极管相似，但阳极和阴极分别称为a和K。
功率二极管的结构与小信号或低功率二极管略有不同。一个典型二极管的结构如下所示。
存在掺杂的n +区域，形成二极管的阴极。在此，有一种轻微掺杂的n-外延。在该外延，漫长的掺杂P +区域以形成P-N结。该P +区域形成二极管的阳极。外延，也称为漂移层，将决定接线区域。当向前偏置时，漂移层随着它轻微掺杂而增加了二极管的显着欧姆抗性。其宽度决定了反向击穿电压。
功率二极管在正向偏压
当功率二极管正偏时，过剩的P型载流子从阳极注入n-外延层。在高注入水平下，这些过剩的P型载流子将到达n- n+结，并从阴极即n+区吸引电子。现在电子被注入n区(漂移区)。这种现象被称为双注入。来自阳极的过剩P型载流子和来自阴极的过剩n型载流子在n-外延区(漂移区)熔解和重组。其结果是电导率调制，其中漂移区域的电导率显著增加。这使得正向偏置功率二极管的I V特性更加线性化。
功率二极管反向偏置
像一个正常的二极管，一个功率二极管也不导电时反向偏压。只有少量的反向泄漏电流是反向流动的。对于额定正向电流为1000a的功率二极管，反向电流只有100m 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。
功率二极管的i v特性如下图所示。
电力二极管主要用硅制造，但有时也使用砷化镓。诸如磷，砷和锗的材料用作掺杂剂以形成阳极（n +），而硼，铝和镓用作掺杂剂以形成阴极（P +）。
功率二极管旨在提供不受控制的功率整流，并可用于应用，如充电电池，直流电源和高压直流电力传输系统，以及整流器的交流电路和逆变器。由于它们的高电流和高电压特性，它们也被用作飞轮二极管和波形抑制网络。由于功率二极管有一个非常大的P-N结面积，它可能不适合高频应用，即频率大于1兆赫兹;但是需要设计高频率、大电流的二极管。肖特基二极管通常用于高频整流等应用。其原因是正向偏压时反向恢复时间和电压降较低。
如果用一个功率二极管将交流电转换成直流电，就会产生半波变化的直流电。如果在一个电路中使用多个二极管，当它将变化的交流波的正半和负半转换成变化的直流时，产生一个全波变化的直流，因此产生电流的全波整流。桥式整流器是一种全波变化直流电路，其中四个二极管连接。它为任一输入极性提供相似的极性输出。全波或桥式整流器不能提供现代电子和电气设备所需的恒压直流电流。因此，平滑电容器通常连接在整流器的输出，以平滑产生的波纹电压。
功率二极管使用不同类型的IC封装。典型的例子可能包括如下
- DO -二极管轮廓
- SOD -小轮廓二极管
- TO -晶体管轮廓
- SOT - 小型轮廓晶体管
- 金属电极无铅面。
D2PAK -离散封装是一种巨大的表面安装封装，其中还包括一个散热器。
功率二极管的数据表包括以下内容。
1.提出了平均电流
2.向前均方根电流
3.平均正向功率损耗
当使用功率二极管设计整流器时，我们不能超过这些参数。
整流器在结构上可以有多种形式，包括旧式真空管二极管、铜等金属氧化物整流器和汞弧阀。随着最近半导体电子产品的引入，整流器大多由半导体二极管、可控硅或可控硅整流器(SCRs)(一种可控硅)和其他基于硅的半导体开关构成。整流过程除了产生直流电外，还可以作为一种电源。值得注意的是，无线电信号的探测器也可作为整流器。由于交流正弦波的闪烁和变化的性质，整流过程本身产生的直流电流是单向的，也包括脉冲电流。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和恒定直流电流的电子通信设备的电源。在这些电子应用中，整流器的输出被一个电子平滑滤波器或电容器平滑，以产生恒定形式的电流。
在从极低到高电流的整流中，广泛地使用各种半导体二极管，例如结二极管和肖特基二极管等。在高功率整流器中使用各种类型的硅基半导体器件，例如在较高电压直流电力传输系统中使用的那些。基于硅的半导体器件包括晶闸管，许多其他受控固态开关有效地用作二极管，以仅在一个方向上通过直流电流。
根据交流电流的类型，整流电路可以分为单相或多相。家用设备的中低功率整流器大多为单相，而三相整流器在工业应用和作为直流的能量传输过程中是非常重要的。
今天有多种整流电路可供选择。它们可以是半波，全波和/或桥式整流器。每一种类型的整流电路可以分为非控制，半控制或完全控制的设备。
电源整流器的功能
- 简化机械设计和快速组装
- 高能力飙升
- 大的爬电距离
- 为工业应用设计和培训
半波整流
整流可以定义为将交流电转化为直流电的过程。整流器的电源可以是单相交流电，也可以是多相交流电。考虑单相电源半波整流器的简单情况。如果交流正弦波应用于它作为输入，然后通过交流正弦波的正或负一半(取决于二极管的正向偏置条件)通过阻断另一半正弦波。由于只有一半的输入波形到达输出在正向偏压期间，平均电压跨电阻是低于通常。
具有单相电源或多相电源的半波整流仅需要单个二极管。整流器将导致单向和脉动的直流电。半波整流器产生比全波整流器更多的涟漪，并且需要平滑电容来消除来自DC输出的交流谐波频率。半波整流中使用的二极管可能是1N400x系列整流二极管中的任何一个。
直流负载在电路的末端是一个电阻，因此流过负载电阻的电流与电阻负载的电压成比例，这将是相同的电源电压。直流电压产生的负载是正弦的前半周即，VR= vs.
在输入交流正弦波形的负半周期期间，二极管将是反向偏置的。因此，没有通过二极管或电路中的电流传递。由于它，对于负半周期输入，没有电流流过电阻负载，因为它不会出现电压。
V出= 0
当负载电阻接收到一个交变正半波形和交变零伏时，这个不规则交变电压的值可以看作是一个0.318 * V的等效直流电压顶峰输入正弦波形或它可以是0.45 x V.rms输入正弦波形，在哪里
Vrms= V顶峰/√2
半波整流用处不大，因为输出信号将是突发的，而且是不连续的。家用半波整流器的最佳应用是两级调光器。半波整流在50Hz或60Hz交流输入产生直流输出时效果不大。此外，二极管电流输出脉冲之间的间隙使其更难消除整流过程后仍然存在的交流纹波。
具有平滑电容的半波整流器
在从交流电流整流到直流电流的过程中，在直流输出中出现的纹波数量将大大减少，通过将一个电容与电阻负载并联。为了消除直流输出中大量的交流谐波频率，电容器的电容应非常高，但电容器的成本和尺寸应较小。
对于给定的电容值，如果通过阻性负载的负载电流很高，电容放电会更大，直流输出的纹波也会增加。因此，使用单相的半波整流电路通过单独使用一个平滑电容来降低直流输出的纹波电压是不太实际的。此时，用全波整流代替半波整流是比较常见的。
在半波整流器中，输出振幅将小于输入振幅，在负半周期间将没有输出，因此一半的功率被浪费，输出是脉冲直流，导致过度的涟波。在实际应用中，由于半波整流器的主要缺点是功率损耗，所以在低功率应用中使用最多。为了克服这一点，许多功率二极管连接在一起产生一个全波整流器。
全波整流
全波整流电路将整个输入正弦波波形转换为输出的正负极性之一。全波整流将输入正弦波的两个极性转换为脉冲直流电。电阻负载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没有中心抽头变压器的桥式配置功率二极管。如果使用带有中心抽头的二次绕组的变压器，则可以实现更高的全波整流效率
如果每一个反相输出被两个二极管中的一个半波整流，每个二极管让它们在交替的半个周期上传导，每个周期有两个电流脉冲，而在半波整流中只有一个脉冲。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，减少了功率破碎量。全波整流电路较高的输出频率也使输出波形中任何剩余的交流波纹更容易平滑。由于输出不是所要求的纯直流输出，输出的质量可以通过一个称为纹波系数的量来衡量。它可以定义为最大和最小电压的差值与直流输出波形的平均电压的比值。
Ripple Factor = (Max-Min)/Average
桥式整流器
另一种产生与全波整流电路类似的直流输出波形的整流电路是全波桥式整流电路。顾名思义，全波桥式整流器需要如图所示的4个功率二极管作为桥式电路来进行全波整流，而不需要中心抽头变压器。它必须观察每一个和每半个周期，相反对的二极管将导通，而流过负载的电流量在正半周期和负半周期保持相同的极性。二极管D1和D2导输入(交流电源)的正半周期，而D3和D4导输入(交流电源)的负半周期。
为了消除直流输出波形中存在的波纹，应该使用典型值为100微法拉或更多的平滑电容。在选择平滑电容时，应注意的参数是工作电压和电容值。空载时工作电压值应大于整流器输出值。
