关于整流堆原理及应用之浅析

整流二极管

 

　　一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。通常它包含一个PN结，有正极和负极两个端子。二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。

 

　　整流二极管（rectifier diode）一种用于将交流电转变为直流电的半导体器件。二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。通常它包含一个PN结，有正极和负极两个端子。其结构如图所示。P区的载流子是空穴，N区的载流子是电子，在P区和N区间形成一定的位垒。外加电压使P区相对N区为正的电压时，位垒降低，位垒两侧附近产生储存载流子，能通过大电流，具有低的电压降（典型值为0.7V），称为正向导通状态。若加相反的电压，使位垒增加，可承受高的反向电压，流过很小的反向电流（称反向漏电流），称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造（掺杂较多时容易反向击穿）。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。

 

　　（1）最大平均整流电流IF：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。该电流由PN结的结面积和散热条件决定。使用时应注意通过二极管的平均电流不能大于此值，并要满足散热条件。例如1N4000系列二极管的IF为1A。

 

　　（2）最高反向工作电压VR：指二极管两端允许施加的最大反向电压。若大于此值，则反向电流（IR）剧增，二极管的单向导电性被破坏，从而引起反向击穿。通常取反向击穿电压（VB）的一半作为（VR）。例如1N4001的VR为50V，1N4002-1n4006分别为100V、200V、400V、600V和800V，1N4007的VR为1000V

 

　　（3）最大反向电流IR：它是二极管在最高反向工作电压下允许流过的反向电流，此参数反映了二极管单向导电性能的好坏。因此这个电流值越小，表明二极管质量越好。

 

　　（4）击穿电压VB：指二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值。反向为软特性时，则指给定反向漏电流条件下的电压值。

 

　　（5）最高工作频率fm：它是二极管在正常情况下的最高工作频率。主要由PN结的结电容及扩散电容决定，若工作频率超过fm，则二极管的单向导电性能将不能很好地体现。例如1N4000系列二极管的fm为3kHz。另有快恢复二极管用于频率较高的交流电的整流，如开关电源中。

 

　　（6）反向恢复时间trr：指在规定的负载、正向电流及最大反向瞬态电压下的反向恢复时间。

 

　　（7）零偏压电容CO：指二极管两端电压为零时，扩散电容及结电容的容量之和。值得注意的是，由于制造工艺的限制，即使同一型号的二极管其参数的离散性也很大。手册中给出的参数往往是一个范围，若测试条件改变，则相应的参数也会发生变化，例如在25°C时测得1N5200系列硅塑封整流二极管的IR小于10uA，而在100°C时IR则变为小于500uA。

 

　　损坏原因

 

　　（1）防雷、过电压保护措施不力。整流装置未设置防雷、过电压保护装置，即使设置了防雷、过电压保护装置，但其工作不可靠，因雷击或过电压而损坏整流管。

 

　　（2）运行条件恶劣。间接传动的发电机组，因转速之比的计算不正确或两皮带盘直径之比不符合转速之比的要求，使发电机长期处于高转速下运行，而整流管也就长期处于较高的电压下工作，促使整流管加速老化，并被过早地击穿损坏。

 

　　（3）运行管理欠佳。值班运行人员工作不负责任，对外界负荷的变化（特别是在深夜零点至第二天上午6点之间）不了解，或是当外界发生了甩负荷故障，运行人员没有及时进行相应的操作处理，产生过电压而将整流管击穿损坏。

 

　　（4）设备安装或制造质量不过关。由于发电机组长期处于较大的振动之中运行，使整流管也处于这一振动的外力干扰之下；同时由于发电机组转速时高时低，使整流管承受的工作电压也随之忽高忽低地变化，这样便大大地加速了整流管的老化、损坏。

 

　　（5）整流管规格型号不符。更换新整流管时错将工作参数不符合要求的管子换上或者接线错误，造成整流管击穿损坏。

 

　　（6）整流管安全裕量偏小。整流管的过电压、过电流安全裕量偏小，使整流管承受不起发电机励磁回路中发生的过电压或过电流暂态过程峰值的袭击而损坏。

　　整流堆还有一个名字叫做整流桥，它可以将交流电变成直流电。

　　交流电AC的波形是这样的：

　　分析一：

　　但是由于整流桥是有四个二极管组成的，而二极管是有截止电压（约0.7V）的，所以通过单独的二极管出来的波形是：

　　二极管在［0，π］之间的导通角是t，小于π。

　　经整流桥之后的电阻上的电压波形为（输出电压明显比交流电两端电压小，他们之间的关系（针对分析一图来说）是U1=0.9U2，其中U1是经整流桥堆后的输出电压，U2是AC的输入电压）：

　　分析二：

　　如果在负载上并联一个电容时，负载和电容上的电压变化一致：

　　为什么是这样的呢？

　　因为电容具有充放电的作用，可以为负载提供电压。当整流堆中的二极管导通时电容开始充电，等交流电压过完峰值后低于0.7的截止电压，电路就不通了，此时电容上的电压达到峰值并停止充电，电容与负载形成闭合回路，电容开始为负载提供电压以维持负载正常工作。当在交流电的负半周期和正半周期工作是一样的，故有上图。

　　整流桥的二极管的反向耐压应该至少是负载电压的二倍，因为当在交流电的负半周期工作时，二极管反向压差是2*sqrt（2）*Uac，如果反向电压过大，二极管将会永久性损坏，不能正常呈现二极管的特性。二极管的电流是负载电流的一半，因为在一个工作周期中，每只二极管仅仅工作了半个周期，也就是前半周期的电流是流过其中两个二极管中提供的，后半期的电流是流过另两个二极管电流提供的。

　　这是整流堆的datasheet，其中40代表是4安培，05，1，2，。..。..是指反向耐压值。

　　有效电压：如果在两个电阻上分别接入一个交流电压和一个直流电压，在相同时间发热量相同，也就是功率相等，则就把这个直流电压等效为这个交流电压的有效值。

　　surge current是浪涌电流，如果半个周期内通过二极管的浪涌电流大于8.3ms，二极管将会被永久损坏。

　　二极管的伏安特性曲线，电阻是变化的。

　　从该图中我们可以看出在100°以下，二极管上的电流基本不变，当大于100°时，二极管承受的电流逐渐下降，故我们在设计二极管工作温度时，尽可能在100°以下。