电力二极管和整流器

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,限幅电路,箝位电路,抑制小持续时间波形和最重要的:电源转换(从交流到直流)。小信号二极管只在一个方向传导电流:从阳极到阴极,这是在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。

正常整流电路

但由于大量的正向电流和反向偏置电压,可能会过热小信号二极管并在整流过程中损坏。在这种情况下,使用功率半导体二极管来克服过量的电流和电压。

功率半导体二极管是晶体半导体器件,也称为功率二极管,主要用于整流的目的。这种类型的整流过程主要在现代电子和电气设备的所有电源中看到。类似于小的信号二极管,电力二极管也仅在一个方向上传导电流,该方向被视为其向前方向,而是在反向方向上进行电流。功率二极管的功能似乎类似于机械/电动单向阀。

功率二极管具有非常较大的P-n接合区域,结果,它们具有比较小的半导体信号更高的正向偏置电流承载能力。电力二极管通常能够通过逆电压的正向电流和几千克(KV)的几千柱(Ka)。这使得功率二极管适合于大量电流和电压的令人难以满意的应用,而不是其小信号或低功率对应物。

功率二极管可以根据它们的两个重要特性进行额定:它们能在正向携带的最大电流和它们能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,它停止工作。

电力二极管符号

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。一个典型二极管的结构如下所示。

电力二碘株

有一个重掺杂的n+区域形成二极管的阴极。在这上面,有一个轻掺杂的n-外延。在这种外延中,一个重掺杂的p+区域被扩散以形成p - n结。这个p+区形成二极管的阳极。外延层,又称漂移层,决定了结面积。当正向偏压时,由于轻微掺杂,漂移层为二极管增加了显著的欧姆电阻。它的宽度决定了反向击穿电压。

功率二极管在正向偏压

当功率二极管正向偏置时,将来自阳极的过量的P型载体注入N-外延层。在高水平的注射中,这些过量的P型载体将到达N-N +结并吸引来自阴极I. N +区域的电子。现在将电子注入N区(漂移区)。这种现象称为双注射。来自阳极和过量的N型载体的过量的p型载体来自阴极的载体和在N-外延区域(漂移区)中重组。这的结果是电导率调制,其中漂移区域的电导率显着增加。这使得前向偏置功率二极管的IV特性更线性。

功率二极管在正向偏压

反向偏置中的电源二极管

与正常二极管一样,电力二极管也不会在反向偏置时进行。只有少量的反向漏电流在反向方向上流动。对于具有1000A正向电流的电源二极管,仅100M反向电流流动。在击穿电压下,由于冲击电离和雪崩乘法,反向电流随着迅速增加。

反向偏置中的电源二极管

电源二极管的I V特性如下图所示。
功率二极管的特性

功率二极管主要用硅制造,但有时也使用砷化镓。磷、砷、锗等材料作为掺杂剂形成阳极(n+),硼、铝、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,它们也用作飞轮二极管和波形缓冲网络。由于功率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,其在反向恢复时间和电压降的原因。

如果在将AC转换为DC时使用单个电源二极管,则它产生半波变化的DC。如果在电路中使用了多个二极管,则它产生全波变化的DC,因为它将变化的交流波的正和负半部转换为不同的DC,因此产生全波整流电流。桥式整流器是一种全波改变直流电路,其中连接四个二极管。它为任何输入极性提供了类似的极性输出。全波或桥式整流器在为现代电子和电气设备供电所需的恒定电压下不提供DC电流。结果,平滑电容器通常在整流器的输出处连接,以便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 -二极管轮廓
  • SOD - 小型二极管
  • 到晶体管轮廓
  • SOT -小轮廓晶体管
  • 金属电极无情的脸部。

D2PAK - 离散套件是一种巨大的表面安装封装,还包括其中的散热器。
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,我们不应超过这些参数。

电源二极管整流器

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。

在极低电流到大电流的整流中,各种半导体二极管如结二极管和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,如那些用于高压直流电力传输系统。硅基半导体器件包括可控硅和许多其他控制的固态开关,有效地作为二极管在一个方向上通过直流电流。

整流电路可以基于交流电流的类型作为单相或多相分类。家用设备的大多数低至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,并且在作为DC的能量传播过程中也是如此。

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。

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电源整流器的特点

  • 简化机械设计和快速组装
  • 高倍率能力
  • 大爬电距离
  • 为工业应用设计和培训

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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。

使用单相电源或多相电源的半波整流只需要一个二极管。整流器将产生单向的脉动直流电。半波整流器比全波整流器产生更多的波纹,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.半波整流器剪切负半周期

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,并且这与电源电压相同。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间,二极管会出现反向偏置。因此,电流没有通过二极管或电路。作为一个结果,对于负半周输入,没有电流流过阻性负载,因为没有电压出现在它。

V.出去= 0.

当负载电阻接收波形和备选零伏的替代正半部时,该替代不规则电压的值可以被视为0.318 * V的等效直流电压的输入正弦波形或它可以是0.45 x Vrms为输入的正弦波形,其中

V.rms= 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。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。

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具有平滑电容器的半波整流器

在从AC电流到DC电流的整流过程中,通过将电容器与电阻负载平行地放置电容器,将大大降低DC输出中存在的涟漪量。电容器的电容应该非常高,以便消除直流输出中大量的交流谐波频率,但电容器的成本和尺寸应少。

3.半波整流器配备平滑电容

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,使用单个相单相的半波整流器电路不是非常实用的,不能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将更常见。

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。

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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或负载的整个极性之一。全波整流将输入正弦波形的两个极性转换为脉动直流电。电阻负载下的平均输出电压非常高。需要两个带有CENTER TAPPRING COMBARTOR的电源二极管或在桥式配置中的四个电源二极管,无需任何中心螺纹变压器。如果使用具有中央点击的次级绕组的变压器,则可以实现全波整流的效率较高

4.全波整流电路

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。

纹波因子=(max-min)/平均值

5.具有平滑电容的全波整流器电路

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桥式整流器

另一种类型的整流电路,其产生类似的DC输出波形作为全波整流电路是全波桥式整流电路。作为名称指示,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,相反对的二极管将进行,而流过负载的电流量保持在正和负半循环的相同极性。二极管D1和D2对输入(AC电源)的正半周期进行,而D3和D4为负半周期进行。

6.带RC负载的桥式整流器

为了消除DC输出波形中存在的涟漪,应使用具有100微区域或更高的典型值的平滑电容。在选择平滑电容器时,应牢记的参数是工作电压和电容值。工作电压的值应大于无负载时整流器的输出值。

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