功率二极管是最常用的元件之一，也是电子学中最早被发现的器件之一。它的功能是让电流只在一个方向上通过，并在相反方向上阻止电流。在许多应用中，它必须允许大量的能量通过，因此市场上有功率二极管出售。它们非常坚固，能够允许非常高的功率耗散。

　　功率二极管

　　功率二极管是一种非线性无源电子元件，由两个端子组成：阳极和阴极。它使电流只在一个方向上通过，而在另一个方向上完全阻断(见图1)。它是一种半导体元件，因此充当单向电流开关。如前所述，其行为是非线性的，因为其输出信号的趋势并不总是跟随输入信号的趋势。二极管的特性曲线图形化地表示了通过改变功率二极管阳极和阴极之间的电压而得到的电流值。如果电压为正，元件则为正向偏置。如果电压为负，功率二极管则为反向偏置。

图1

　　功率二极管有三种类型：

　　适用于通用应用、直流或主频电路的二极管。由于其操作几乎是静态的，它们可以承受数千伏和数千安培，并且可以在它们之间进行并联连接。

　　肖特基二极管。当需要低电压降时使用它们。实际上，它们的电势差约为0.2 V或0.3 V。它们的最大反向电压相当有限。

　　用于高速操作的快速恢复二极管。它们通常与快速电子开关(如mosfet)一起使用。它们的恢复时间小于1 µs。

　　某些类型可以承受数千安培的电流和数千伏的电压。考虑例如在汽车、铁路和一般运输部门中的电力应用。当阳极上的电压高于阴极上的电压时，功率二极管可以导通电流。在操作过程中，这两个端子之间的电势差相当低，在0.2 V到2 V之间(理想二极管中只有0 V的差异)。如果阴极上的电压大于阳极上的电压，功率二极管处于关闭状态，不导通电流。因此，它的用途涵盖了开关、整流器中的转换器、开关电路、绝缘、充电电容器、再循环设备等多种功能。刚才看到的图表特性由肖克利方程描述，公式如下：

　　其中，Id是二极管上的直流电流，Vd是正向偏置电压，Is是反向饱和电流，n是理想因子，介于1和2之间(锗：1;硅：2)。

　　在电力和高频应用中，一个非常重要的参数是恢复时间，即电流通过零点的瞬间和反向电流降至其最大峰值的25%的时刻之间的时间。不幸的是，它是限制直流电量和工作频率的因素。

　　从交流电到直流电的转换

　　在所有家庭中，电力以交流形式到达，这是由于电力在线路上运输的原因。大多数电力应用都使用直流电压。因此，有必要将这种正弦交流电压(频率为50或60 Hz)转换为直流电压。获得直流电压非常简单。变压器和二极管整流器将交流电输入转换为直流电。如果涉及的功率很高，变压器的尺寸可能非常重要。但如今，我们总是试图避免使用大而昂贵的变压器。

　　输出的直流成分必须使用高容量的电容器进行滤波，以完全平滑并消除波动和谐波。如果理论上说这种系统可以获得完美的直流电压，实际上各种现象会发生，导致输出信号略有恶化。电容器的功能是充电至接近交流电压峰值的值，并尽可能保持这一水平。只有二极管的电势差阻止了完全达到最大峰值值。负载的低阻抗使电容器放电，产生一个双频率交流输入信号的“波纹”信号。在图2中，可以看到将交流电转换为直流电的经典电路。它由以下电气和电子元件组成：

　　V0p为325 V(RMS约为230 V)的正弦交流电源

　　理想的40 V电压变压器

　　由四个超快速恢复二极管RFN20TF6S(Vr = 600 V，ID = 20 A)组成的Graetz桥整流器

　　高容量的电解平滑电容器(滤波器)

　　10-Ω电阻负载，平均耗散功率为90 W

　　该电路，带有合适的平滑电解电容器(约47000 µF)，在各节点处有以下电压：

　　V(a，b)：650-Vpp 50-Hz交流电源(–325 V，0 V，325 V)

　　V(c，d)：变压器变压并降低后的电压为64 Vpp(–32 V，0 V，32 V)

　　V(e)：30 V的直流电压(带平滑电容器)

　　V(e)：40 V0p的脉动电压(不带平滑电容器)

　　建议仔细检查同一图中所有示波图，参考节点A、B、C、D和E。该电路的效率约为75%，变压器显然必须能够承受负载所需的功率。有时，负载吸收的失真电流会导致电源电压波形的失真。

　　波纹

　　在这种类型的电路中，有一个波纹信号，它取决于滤波电容器的值和负载的值(见图3)。波纹百分比与负载的电阻值和滤波电容器的容量成反比。通常，电源提供的电压保留一些交流电压的“痕迹”，以波纹的形式叠加在直流电压上。这些波纹呈锯齿形，并使输入频率加倍。波纹是由于负载吸收的电流造成的。电容器的放电阶段发生在一个半波和下一个半波之间。负载吸收的电流越低，电容器的电容越大，波纹电压值就越低。在更简单的电源中，平滑输出电压的元件是电解电容器。有一些公式可以确定其理想值。电容器的值当然取决于用户愿意接受的波纹百分比。电容值低的电容器实际上会确定较高的波纹百分比，而电容值高的电容器则相反。一个返回使用电容值的简单公式如下：

　　其中，C是电容器的电容，以法拉(对于微法拉，只需将值乘以1,000,000)表示，Ioutput是最大输出电流，f是正半波的频率(在这种情况下为100 Hz)，Vripple是要获得的峰值波纹电压。

　　例如，以上电路具有以下波纹值，取决于以下滤波电容器：

　　4700 µF：约10 V的波纹(不可接受)

　　47000 µF：约1 V的波纹(相当可接受)

　　860000 µF：约0.05 V的波纹(非常可接受)

　　从公式中可以推断出，电容越大，负载吸收的电流越大，波纹幅度越小。实际上，对于负载上的每安培电流，计算10000 µF。

　　波纹以百分比表示，并参考为负载供电的电压的平均VCC值。在设计阶段必须确定允许的波纹量。计算该参数百分比的公式如下：

　　低百分比的波纹意味着高质量的电源。观察连续输出信号的一些FFT分析，关于所使用的滤波电容器的类型是很有趣的。图4显示了分别使用860000 µF、47000 µF和4700 µF电解电容器在输出端进行的三次FFT分析。注意到大容量可以获得干净的信号，具有非常低的谐波数量。显然，配备高容量电容器的优秀滤波器显著增加了项目的成本。

　　结论

　　AC/DC转换电路是最常用的，尤其是近年来。为了其最佳运行，使用的所有元件都是优质的，这可能显著增加其成本。通过这种解决方案，涉及的效率不高，并且功率损失可能难以容忍。在接下来的文章中，您将发现使用最新一代电子元件的进一步转换技术。

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