功率二极管和整流器

介绍

我们知道,小信号二极管被用于几个应用,如电流转向、过电压保护、开关电路、剪切电路、箝位电路、抑制小持续时间波形以及最重要的: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,这是交流电转换为直流电时最重要的特性。这种电流转换过程称为整流,所使用的电路称为整流器。

1.正常的整流电路

但由于整流过程中存在大量的正向电流和反向偏置电压,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,功率半导体二极管用于克服过大的电流和电压。

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。这种类型的整流过程主要出现在现代电子和电气设备的所有电源中。与小信号二极管类似,功率二极管也只在一个被视为正向的方向上传导电流,而不在反向传导电流。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,它们比较小的半导体信号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(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。

功率二极管可以根据它们的两个重要特性进行额定: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小的压降。另一方面,一个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,它停止工作。

功率二极管符号

功率二极管符号如下图所示。该符号与普通二极管相似,但阳极和阴极分别被称为a和K。

功率二极管符号

功率二极管的结构与小信号或低功率二极管略有不同。典型二极管的结构如下图所示。

权力DiodeStructure

有一个重掺杂的n+区域形成了二极管的阴极。在这一点上,有一个轻微掺杂的n-外延。在这种外延中,一个重掺杂的p+区域扩散以形成p - n结。这个p+区域形成了二极管的阳极。外延层,也称为漂移层,将决定结区。当正向偏置时,漂移层为二极管添加了大量的欧姆电阻,因为它是轻掺杂的。它的宽度决定了反向击穿电压。

正向偏压功率二极管

当功率二极管正向偏置时,来自阳极的多余P型载流子注入n外延层。在高注入水平下,这些多余的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)。这种现象称为双重注入。在n外延区(漂移区),来自阳极的多余P型载流子和来自阴极的多余n型载流子被剥离并重新组合。其结果是电导率调制,其中漂移区的电导率显著增加。这使得正向偏置功率二极管的I V特性更加线性。

正向偏压功率二极管

反向偏置功率二极管

与普通二极管一样,反向偏置时功率二极管也不导通。只有少量反向泄漏电流反向流动。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,由于碰撞电离和雪崩倍增,反向电流迅速增加。

反向偏置功率二极管

功率二极管的电压特性如下图所示。
电源二极管的I V特性

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+)。

功率二极管的设计目的是提供无控制的功率整流,可用于电池充电、直流电源和高压直流输电系统以及交流电路的整流和逆变器。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。由于功率二极管具有非常大的P-N结面积,它可能不适合高频应用,即大于1兆赫的频率;然而,高频和大电流二极管的设计是需要的。肖特基二极管通常用于高频整流等应用。其原因是正向偏置时反向恢复时间短,电压降低。

如果使用单个功率二极管将交流电转换为直流电,则会产生半波变直流电。如果在一个电路中使用多个二极管,就会产生全波变化直流,因为它将变化的交流波的正半和负半转换为变化的直流,从而产生电流的全波整流。桥式整流器是一种全波可变直流电路,其中连接四个二极管。它为任一输入极性提供类似的极性输出。全波整流器或桥式整流器不能以恒定的电压输出现代电子和电气设备所需的直流电。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以下内容

  • DO -二极管轮廓
  • SOD–小轮廓二极管
  • TO–晶体管轮廓
  • 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.平均前向功率损失

在使用功率二极管设计整流器时,我们不能超过这些参数。

功率二极管整流器

从结构上看,整流器可以采用多种形式,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。随着近年来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(欧宝娱乐可靠吗可控硅的一种)和其他硅基半导体开关组成。整流过程除了产生直流电外,还可以作为电源。值得注意的是,无线电信号的探测器也起整流器的作用。由于交流正弦波的闪动和变化特性,整流过程本身产生的直流电流是单向的,也由电流脉冲组成。整流器的许多应用包括无线电、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。

在从极低电流到高电流的整流中,各种半导体二极管如结型二极管和肖特基二极管等被广泛应用。各种类型的硅基半导体器件用于高功率整流器,如用于高电压直流电力传输系统。硅基半导体器件包括晶闸管和许多其他可控固态开关,有效地充当二极管,使直流电只在一个方向通过。

根据交流电流的类型,整流电路可以分为单相电路和多相电路。大多数家用设备的中低功率整流器是单相的,而三相整流器对于工业应用和直流能量传输过程是非常关键的。

今天有各种各样的整流电路可供选择。它们可能是半波,全波和/或桥式整流器。每一种类型的整流电路可分为非控制、半控制或完全控制装置。

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电源整流器的特点

  • 简化的机械设计和快速装配
  • 高能力飙升
  • 大爬电距离
  • 为工业应用而设计和培训

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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交流电或多相交流电。考虑单相电源的半波整流的简单情况。如果将交流正弦波作为输入,则通过阻断正弦波的另一半来通过交流正弦波的正负一半(取决于二极管的正向偏置条件)。由于在正向偏压过程中只有一半的输入波形到达输出,电阻两端的平均电压比通常的低。

单相电源或多相电源的半波整流只需要一个二极管。整流器将产生单向脉动的直流电。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。

2.半波整流器剪掉负半周期

电路末端的直流负载是一个电阻,因此流过负载电阻的电流与流过电阻负载的电压成比例,这与电源电压是相同的。在前半周期,负载上产生的直流电压为正弦波,即VR= Vs。

在输入交流正弦波形的负半周期,二极管将反向偏置。因此,没有电流通过二极管或在电路中。因此,对于负半周输入,没有电流流过阻性负载,因为它将没有电压出现。

V= 0

当负载电阻器接收到波形的另一半正电压和另一半零伏电压时,该另一半不规则电压的值可视为0.318*V的等效直流电压的输入正弦波形,也可以为0.45 x Vrms的输入正弦波形,其中

Vrms=V/√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。半波整流器在家用的最佳应用是两级灯调光器。半波整流在从50Hz或60Hz交流输入产生直流输出时效果不大。此外,二极管电流的输出脉冲之间的间隙使得消除整流过程后残留的交流纹波更加困难。

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带平滑电容的半波整流器

在从交流电流到直流电流的整流过程中,通过将电容器与电阻负载并联,直流输出中存在的波纹量将大大减少。为了消除直流输出中大量的交流谐波,电容器的电容应该非常高,但电容器的成本和尺寸应该更小。

3.带有平滑电容的半波整流器

对于给定的电容值,如果通过阻性负载的负载电流非常高,电容放电会更大,直流输出的波纹也会增加。因此,使用单相半波整流电路仅使用一个平滑电容来降低直流输出中的纹波电压是不太实际的。这时用全波整流代替半波整流更为常见。

在半波整流器中,输出幅值小于输入幅值,在负半周期没有输出,浪费了一半的功率,输出是脉冲直流,造成了过多的波纹。在实际应用中,由于半波整流器的主要缺点是功耗大,因此在低功耗应用中最常用。为了克服这个问题,将一些功率二极管连接在一起,形成一个全波整流器。

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全波整流

全波整流电路将整个输入正弦波形转换为正极或负极之一作为其输出。全波整流将输入正弦波的两个极性转换为脉动直流电。电阻负载的平均输出电压非常高。全波整流需要两个带有中心抽头变压器的功率二极管或四个桥式配置的功率二极管(不带任何中心抽头变压器)。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

4.全波整流电路

如果两个二极管中的一个对每个反相输出进行半波整流,每个二极管让它们在交替的半周期内传导,则每个周期会产生两个脉冲电流,而在半波整流中则是每个周期一个脉冲。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,减少了功率损耗。更高的输出频率的全波整流电路也使平滑任何剩余的交流波纹在输出波形中更容易。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衡量。它可以定义为最大电压与最小电压之差与直流输出波形的平均电压之比。

纹波系数= (Max-Min)/平均值

5.全波整流电路提供平滑电容

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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四个功率二极管组成桥式电路,如图所示,以提供全波整流而不需要任何中心抽头变压器。它必须观察每一个和每半个周期,相反对的二极管将导电,而电流通过负载保持在相同的极性,无论是正的和负的半个周期。二极管D1和D2传导为输入(交流电源)的正半周,而D3和D4传导为负半周。

6.RC负载桥式整流器

为了消除直流输出波形中的波纹,应使用典型值为100微法拉或更大的平滑电容器。在选择平滑电容器时,应记住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的输出值。

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先前的发光二极管

下一步–二极管限流器和钳位器

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