3--二极管整流器
二极管的工作原理
二极管的工作原理一、引言二极管是一种常见的电子元件，广泛应用于电子电路中。
它具有非常重要的作用，可以将电流限制在一个方向上流动，实现电路的整流、开关等功能。
本文将详细介绍二极管的工作原理及其相关概念。
二、二极管的基本结构二极管由两个半导体材料（通常是P型和N型）组成，形成一个PN结。
P型半导体中的杂质含有三价原子，N型半导体中的杂质含有五价原子。
PN结的形成是通过将P型半导体和N型半导体材料通过热扩散或外加电场结合在一起。
三、二极管的工作原理1. 正向偏置当外加电压的正极连接到P型半导体，负极连接到N型半导体时，这被称为正向偏置。
在这种情况下，P型半导体的空穴和N型半导体的自由电子会向PN结扩散。
当空穴和自由电子相遇时，它们会发生复合，形成一个正离子和一个负离子。
这些离子会在PN结中形成一个耗尽区域，其中没有可移动的电荷。
2. 反向偏置当外加电压的正极连接到N型半导体，负极连接到P型半导体时，这被称为反向偏置。
在这种情况下，由于P型半导体中的空穴和N型半导体中的自由电子相互吸引，它们被迫远离PN结。
这样就形成了一个宽耗尽区域，其中没有可移动的电荷。
四、二极管的特性1. 电流-电压关系在正向偏置下，当外加电压小于二极管的正向压降（通常是0.6-0.7V），二极管几乎不导电。
当外加电压大于正向压降时，二极管开始导通，电流随电压的增加而迅速增加。
在反向偏置下，二极管只有在反向击穿电压（通常是几十伏到几百伏）时才会导通。
当外加电压小于反向击穿电压时，二极管处于截止状态，几乎不导电。
2. 截止和导通状态在正向偏置下，二极管处于导通状态。
当外加电压大于正向压降时，二极管的电阻变得非常小，电流可以通过。
在反向偏置下，二极管处于截止状态。
当外加电压小于反向击穿电压时，二极管的电阻非常大，几乎不导电。
3. 温度特性二极管的导通特性会受到温度的影响。
通常情况下，随着温度的升高，二极管的正向电压降低，导通电流增加。
五、二极管的应用1. 整流器二极管可以将交流信号转换为直流信号，实现电路的整流功能。
二极管的分类及参数
二极管的分类及参数二极管是最基本的半导体器件之一，广泛应用于电子设备中。
它具有单向导电性质，即只允许电流在一个方向上流动。
二极管可以通过对其工作电压、额定电流、频率等参数的不同分类和定义。
下面将详细介绍二极管的分类及参数。
1.按材料分类：(1)硅二极管：由硅(Si)材料制成，常用于中高功率电子设备中。
(2)锗二极管：由锗(Ge)材料制成，常用于低功率电子设备中。
(3)碳化硅二极管：由碳化硅(SiC)材料制成，具有较高的工作温度和电压能力，适用于高温、高频和高功率应用。
2.按结构分类：(1)点接触二极管：也称为瞬变二极管，使用金属-半导体结构制作。
(2)悬浮底座二极管：也称为漂移二极管，使用浮动喷射结构制作。
(3)整流器二极管：也称为整流二极管，使用P-N结构制作。
3.按工作模式分类：(1)正向偏置二极管：当正向电压施加到二极管上时，电流可以流过二极管。
(2)反向偏置二极管：当反向电压施加到二极管上时，电流几乎不能流过二极管。
4.参数定义：(1) 最大工作电压(Umax)：指二极管能够承受的最大正向或反向电压值。
(2) 最大额定电流(Inom)：指二极管能够承受的最大正向电流值。
(3) 最大功率(Pmax)：指二极管能够承受的最大功率值，计算公式为Pmax = Umax * Inom。
(4) 额定频率(fnom)：指二极管能够承受的最大工作频率。
频率越高，二极管的响应速度越快。
(5)正向导通压降(Vd)：指正向电流流过二极管时的电压降。
不同类型的二极管具有不同的正向导通压降。
二极管的分类和参数可以根据具体应用的需求进行选择。
一般而言，硅二极管具有较高的工作电压能力和较低的正向导通压降，适用于中高功率电子设备。
锗二极管具有较低的工作电压能力和较高的正向导通压降，适用于低功率电子设备。
碳化硅二极管具有较高的工作温度和电压能力，适用于高温、高频和高功率应用。
总结：二极管作为最基本的半导体器件之一，在电子设备中有着广泛的应用。
二极管原理的应用实例分析
二极管原理的应用实例分析1. 简介二极管是一种最基本的电子元件，它有着许多重要的应用。
本文将探讨二极管原理的几个应用实例，包括整流器、发光二极管（LED）和二极管作为电压稳压器。
2. 整流器整流器是二极管最常见的应用之一。
它通常用于将交流电转换为直流电。
整流器利用二极管的单向导通特性，将交流电信号的负半周期削去，只保留正半周期的信号。
这样，我们可以得到一个带有脉动的直流输出信号。
使用二极管整流器的一个典型应用是电源适配器。
电源适配器将交流电转换为适用于电子设备的直流电。
二极管在电源适配器中起到了关键作用，确保只有正向电压进入电子设备。
例如，我们常见的手机充电器就是一个电源适配器，其中的整流器部分使用了二极管。
3. 发光二极管（LED）发光二极管（LED）是另一个重要的二极管应用。
它具有将电能直接转换为光能的特性，因此被广泛应用于照明、显示和指示等领域。
LED的工作原理是基于半导体材料的特性。
当正向电压施加到LED时，电子和空穴会在半导体中结合，发出光子。
不同材料和结构的LED可以发出不同颜色的光。
由于LED具有高效、低能耗和寿命长的特点，它们在照明行业得到了广泛应用。
4. 二极管作为电压稳压器除了整流和发光功能外，二极管还可以作为电压稳压器使用。
当二极管处于正向偏置时，它具有较低的电压降，可以将电压稳定在某个特定值。
这种稳压器通常用于电子电路中的电压稳定功能。
最简单的二极管稳压器是Zener二极管稳压器。
它利用具有特定电压-电流特性的Zener二极管，使电路中的电压保持稳定。
Zener稳压器常用于电子设备和电路中，以保护其他电子元件免受过高电压的损害。
5. 总结本文介绍了二极管原理在整流器、发光二极管和电压稳压器等领域中的应用实例。
二极管作为一种基础的电子元件，它的应用非常广泛。
无论是电源适配器、照明还是电路稳压，二极管都发挥了重要的作用。
随着科技的进步，相信二极管的应用还会不断创新和拓展。
二极管整流器
3.1.3 开关器件的选择
开关器件工作特点 开关两端电压为正时，导通。 开关两端电压反转时，关断。 常采用二极管（晶闸管）作为开关器件。
晶闸管 理想特性
二极管 理想特性
3.1.4 整流器负载的基本形式
L
R
E
电阻（R） 阻感（R-L） （如：电磁铁） 电感－恒压型负载(voltage sink)（L-E） （如：直流电动机） 恒流型负载(current sink) （L极大）
3.4 二极管整流器的应用问题 3.4.1 单相与三相整流器的比较 3.4.2 线电流谐波和功率因数补偿问题
本章重点
1) 二极管整流器的种类和拓扑结构。
2）单相二极管桥式整流电路 单相二极管桥式整流电路的电路结构 理想化的二极管桥式整流电路：电阻和恒流负载 下的波形，整流输出电压平均值的计算，输入电流 谐波的特点，功率因数的计算。 反电势负载时的工作特性：恒压负载时的波形， 直流侧电流对交流输入电流畸变、功率因数及整流 输出电压的影响。
位移 因数
•Id较小时，THD较高 ，PF较低。 •Ls增大时，THD下 降，PF提高。
功率 因数
w I short circuit
Vs Ls
整流器特性（2） 直流侧电流与整流输出电压的关系 •Id变化时，整流输出电压Vd在一定范围内波动
crestfactorIs,peak Is
振 幅 系 数
3.3 三相二极管桥式整流器
工业应用中，三相整流电路较为常用 三相整流电路的优点：输出波形脉动小，功率更大 三相6脉冲桥式整流电路最为常用
3.3.1 理想化的电路（Ls=0)
共阴组和共阳组中二极管导通规律与单相桥式整流器类似
利用交流电源中点n来分析波形 vd vPnvNn
二极管器件：整流二极管型号大全
二极管器件：整流二极管型号大全整流二极管是一种能够将交流电能转化成为直流电能的半导体器件，整流二极管具有明显的单向导电性，是一种大面积的功率器件，结电容大，工作频率较低，一般在几十千赫兹，反向电压从25V到3000V.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，这种器件结面积大，能通过较大电流（通常可以达到数千安），但工作频率不高，一般在几十千赫兹以下，整流二极管主要用于各种低频整流电路。
整流二极管的常用参数（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，1N4007的VR为1OOOV（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VR：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。
（6）反向恢复时间tre：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。
二极管 介绍
二极管介绍二极管一、引言二极管是一种电子元器件，被广泛应用于电子设备中的电路中。
它具有正向导通和反向截止的特性，常用于整流、调制、放大和开关等功能。
本文将从结构、工作原理、分类和应用等方面对二极管进行详细介绍。
二、结构和工作原理二极管由两个不同材料组成，即P型半导体和N型半导体。
两个半导体之间的交界面称为P-N结。
P型半导体上的杂质含有三价元素，如硼（B）、铝（Al）等，而N型半导体上的杂质含有五价元素，如磷（P）、砷（As）等。
当P-N结加上正向偏置电压时，P型区域与N型区域之间的电子和空穴将扩散并重新结合。
这种情况下，电子从N型区域流向P型区域，空穴则相反。
这种导通状态称为正向偏置。
反之，当P-N结加上反向偏置电压时，P型区域的电子被吸引向P-N结区域，N型区域的空穴被吸引向P-N结区域，电子和空穴无法通过P-N结进行结合，形成截止状态。
三、分类根据用途和特性，二极管可分为多种类型。
以下是常见的二极管分类：1. 整流二极管整流二极管也称为信号二极管，主要用于将交流电信号转换为直流电信号。
最常见的整流二极管是硅二极管和锗二极管。
2. 光电二极管光电二极管是一种能够将光能转换为电能的器件。
光电二极管常用于光电转换、光通讯和传感器等领域。
3. 齐纳二极管齐纳二极管是一种具有稳定的正向电压和锐利的负阻抗特性的二极管。
它常用于电力管理、稳压电源和高频电路等领域。
4. 可变电容二极管可变电容二极管可以改变其电容大小。
它通常由两个电容导板之间的PN结构成，通过改变偏置电压来调节电容值。
可变电容二极管被广泛应用于调谐电路和无线电设备等领域。
四、应用二极管在电子设备中被广泛应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 整流器二极管可以将交流电转换为直流电，常用于电源、逆变器和电动机驱动器等领域。
2. 放大器二极管具有整流和放大特性，被广泛应用于声音放大器、射频放大器等领域。
3. 稳压器稳压二极管可以提供稳定的电压输出，在电路中用于稳定电源和保护其他元器件。
整流二极管的工作原理、选型参数、应用详解,几分钟,带你搞懂整流二极管
整流二极管的工作原理、选型参数、应用详解，几分钟，带你搞懂整流二极管什么是整流二极管？整流二极管是一种对电压具有整流作用的二极管，可以将交流电整成直流电。
常应用于整流电路中，多采用硅半导体制成，能够承载高电流值。
也可以用锗半导体制成，锗二极管具有较低的允许反向电压以及较低的允许结温。
在数字电子产品中，通过肖特基势垒使用整流二极管具有巨大的价值。
该二极管可以控制从mA到几KA的电流，从几V到几KV的电压。
整流二极管电路符号到底什么是整流？有人会问，整改是什么？我在这里给你解释一下。
二极管的作用是让电流只向一个方向流动，整流就是给二极管施加一个交流波形，整流二极管只允许一半以上的波形导通，剩下的一半被阻断。
这就是整流二极管的整流作用。
具体可以看下图，比较直观。
整流二极管整流过程整流二极管工作原理整流二极管N型和P型材料都与特殊的制造技术化学结合以形成PN 结。
因为这个PN结有两个可以看作电极的端子，所以被称为“DIODE”（二极管）。
当外部直流电源电压通过其端子施加到任何电子设备时，就会发生偏置。
无偏整流二极管无偏压:当没有电压提供给整流二极管时，称为无偏压整流二极管。
N侧将有大部分电子，由于热激发，空穴数量比较少，而P侧将有大部分电荷载流子空穴和很少数量的电子。
在这个过程中，来自N侧的自由电子将扩散到P侧，并在存在的空穴中发生重组，导致正离子固定在N侧，负离子固定在P侧。
在靠近结边缘的N型侧不动，类似地，在靠近结边缘的P型侧中也有固定离子。
因此，大量的正离子和负离子积聚在连接处，这样形成的这个区域称为耗尽区。
在这个区域，二极管的PN结上会产生一个称为势垒电位的静电场，它可以防止空穴和电子进一步迁移穿过结。
无偏置整流二极管正偏整流二极管正向偏置：在PN结二极管中，电压源的正端连接到p型侧，负端连接到N型侧，二极管处于正向偏置状态。
电子被直流电压源的负极端排斥并向正极端漂移，因此，在施加电压的影响下，这种电子漂移会导致电流在半导体中流动。
二极管三相桥式整流基本原理
• watwtwbt，a点电位 a 最高，VD4
导通，d a
• wbtwtwct，b点电位 b 最高，VD5
导通，d b • w导c通t，wdtwact，c点电位 c 最高，VD6
每个二极管导电120o，d点电位为 a,b,c
e b
wtc' ,wta' ,wtb' 是二极管的自然换流点。
故一周期内，e点的电位 e 为 a,b,c 的负
的波顶连线
VD4 VD5 VD6
d
ua ub
iVD4 iVD5 iVD6 a b c
ud
RL
uc
iVD1 iVD2 iVD3
VD1 VD2 VD3
（2）整流电压波形：
以变压器中点为0，整流后的输出电压：
d
ua ub
iVD4 iVD5 iVD6 a b c
ud
RL
uc
iVD1 iVD2 iVD3
VD1 VD2 VD3
e
u a b c d
a
d
b
c
a
wtc’ wta’ wtb’
wt
wta
wtb
wtc
wta
e
ud ucb uabuacubc uba uca
a c’ b a’ c b’ a
④ wtb~wta’， b 最高,VD5导通; c 最低,VD3
导通;电流方向:b—VD5—d—RL—e—VD3— c
d b,e c
ud ubc bc ubc
2Usin(t2)
3
2Usin(t23)ucb
3
2Usin(t)
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3.3.1 理想化的电路（Ls=0)
共阴组和共阳组中二极管导通规律与单相桥式整流器类似 利用交流电源中点n来分析波形
vd vPn vNn
1. 整流输出电压
vd vPn vNn
每个电源周期中，vd由 6段线电压组成
vPn
O
ua
ub
uc
wt
vNn
ua
ub
uc
O
wt
uab uac ubc uba uca ucb uab uac
• 直流侧电流对交流输入电流畸变及功率因数的影响
•电流小时，THD很高
•Ls增加会使THD减小
I short circuit
VLL / 3 w1 Ls
• 直流侧电流与整流输出电压的关系
•电流变化时，平均电压波动较小
3.3.3 实际的三相桥式二极管整流电路
小电感Ls可使 电流id连续
3.4
vdiode vs (vL Ed )
•二极管导通时刻
vs Ed
• vs Ed 后， 二极管仍可导通 一段时间
3.2
电路结构 内阻抗
单相二极管桥式整流器
滤 波 电 容 电压源
市电供电模型
•电路虽然简单，但求取电压、电流波形的函数形式 是很繁琐的。因而往往要借助仿真工具来分析电路。
3.4 二极管整流器的应用问题 3.4.1 单相与三相整流器的比较 3.4.2 线电流谐波和功率因数补偿问题
本章重点
1) 二极管整流器的种类和拓扑结构。
2）单相二极管桥式整流电路 单相二极管桥式整流电路的电路结构 理想化的二极管桥式整流电路：电阻和恒流负载 下的波形，整流输出电压平均值的计算，输入电流 谐波的特点，功率因数的计算。 反电势负载时的工作特性：恒压负载时的波形， 直流侧电流对交流输入电流畸变、功率因数及整流 输出电压的影响。
u B
A
x Ax Bu
X
上式可求得解析解，也可通过MATLAB计算求解
(b)
1 t f t tb T id 0 2
dvd 1 vd dt Cd Rload
( t t f )
vd (t ) vd (t f )e Cd Rload
3.3
三相二极管桥式整流器
工业应用中，三相整流电路较为常用 三相整流电路的优点：输出波形脉动小，功率更大 三相6脉冲桥式整流电路最为常用
vs -vs
O
wt
3.2.3 对理想电路的定量分析
• 整流输出电压平均值Vd
Vd
Vd
1
1
0
2Vs sin wtd (wt ) 0
2
( 2Vs cos wt ) 2Vs 0.9Vs
• 交流侧电流 (恒流型负载）
Id
Id
对交流侧输入电流is傅立叶分解
1 1 is (t ) 2 I d (sin wt sin 3wt sin 5wt ) 3 5
2 2
输入电流总有效值
Is Id
基波有效值
I s1
2 2
Id
谐波有效值
0 h为偶数 I sh I s1 h h为奇数
电流畸变率
I dis THDi I s1 48.43%
I s2 I s21 I s1
• 交流侧功率因数 (恒流型负载）
基波 因数
位移 因数
3.2.4 恒压型负载下电路的工作原理
电源侧 电感 直流侧电压 为恒定
• 负载为大电容时可近似看作直流侧电压为恒定
电压电流波形
wt b D1,2导通
wt＝ p id 达最大
wt＝ f id =0,D12关断
wt
整流器特性（1）
直流侧电流对交流输入电流畸变及功率因数的影响
输入电流 畸变率
3.2.5 实际的二极管整流器的解析计算
滤波 电容
电源 模型
等效 负载
•实际电路中，电容不会无穷大，则电容上的电压会出 现脉动。与恒压型负载时有所区别. •分别通过解析计算和电路仿真手段来研究
•电流不连续时条件下的电路解析计算
等效电路 （不出现换流重叠现象）
(a)
tb t t f
分两段计算： a)二极管导通段
课间
3.2.1 电阻型负载下理想电路的工作原理
• 输出电压vd和电流id
vs 0 , D1,2 导通, vd vs vs 0 , D3,4 导通, vd vs
vd (t ) vs
vs -vs
O
wt
• 输入电流（电源电流)is
id if vs 0 is id if vs 0
6
• 线电流有效值 I s • 功率因数
2 Id 3
• 基波有效值 I s1 0.78I d • 谐波有效值 I sh
I s1 h h 5, 7,11,13
3.3.2 恒压型负载
• 假设id断续
•任何时候只 有2个二极 管导通 •等效电路如 （b）所示
vin为某一线电压 DP为D1，，中一个 35 DN 为D2,4,6中一个
位移 因数
•Id较小时，THD较高 ，PF较低。
•Ls增大时，THD下 降，PF提高。
功率 因数
I short circuit
Vs w Ls
整流器特性（2）
直流侧电流与整流输出电压的关系 •Id变化时，整流输出电压Vd在一定范围内波动
crest factor I s , peak Is 振幅系数
二极管整流器的应用问题
单相整流器畸变更大
3.4.1 单相与三相整流器的比较
• 输入电流畸变
单相桥式整流
三相桥式整流
• 功率因数 三相整流器功率因数更高
单相桥式整流 三相桥式整流
• 输出电压的脉动 单相桥式整流
三相整流输出电 压脉动小，频率 高，所需滤波电 容较小
三相桥式整流
• 直流电压Vd变化范围
3）三相二极管桥式整流电路 三相二极管桥式整流电路的电路结构 理想化的三相二极管桥式整流电路：二极管的通 断规律，波形分析的方法，恒流负载下的波形，整 流输出电压平均值的计算，输入电流谐波的特点， 功率因数的计算。 反电势负载时的工作特性：恒压负载时的波形， 直流侧电流对交流输入电流畸变、功率因数及整流 输出电压的影响。 4）二极管整流器的应用问题 单相与三相整流器的比较：输入电流畸变、功率 因数、输出电压脉动及输出电压的稳定程度。
did vs Rs id Ls vd dt dvd vd id Cd dt Rload
tb t t f
1 b)二极管截至段 t f t tb T 2
化为矩阵微分方程形式（状态方程）
did Rs dt Ls dvd 1 dt Cd i 1 d Ls vs 1 vd 0 Cd Rload 1 Ls
学习目的： 整流器的拓扑结构 整流电路的分析方法 单相整流器工作原理
三相整流器工作原理
电力电子电路的计算机仿真
3.1 整流器的拓扑结构和基本概念
3.1.1 整流器的分类
根据交流电源的相数和整流输出对交流电源正负半 波的利用情况，AC－DC变换器可分为以下两大类。 半波整流器 1相，1脉冲整流器 2相，2脉冲整流器 3相，3脉冲整流器 全波整流器 1相，2脉冲整流器
t2～t3，vs 0 , i 0， L储能使D1导通
•电感的作用
vdiode vs (vL vR )
储存 电能
di vL L dt
=
释放 电能
t3
0
vL dt
t3 0
t3
0
di L dt dt
L di 0 AreaA AreaB
包含恒压型负载
特点：负载 中的电势影 响了二极管 的导通时刻
理想化的二极管桥式整Байду номын сангаас电路
首先以电阻和恒流型负载形式为例分析简化整流电路工 作原理，然后讨论实际的二极管整流电路。
二极管的通断规律
共阴极组
在共阴组中，阳极 电位最高的器件正 偏导通，其 它器 件反偏截止
•电流从共阴组流出， 从共阳组流入
共阳极组
在共阳组中，阴极 电位最低的器件正 偏导通，其它器件 反偏截止
3相，6脉冲整流器
脉冲数指交流电1个周期内整流输出电压中包含的正弦 波的波数。 单相变压器副边绕组有中心抽头，可获得2相交流电。
3.1.2 整流器的拓扑结构
单相半波
单相桥式
两相半波
三相半波
三相桥式
3.1.3 开关器件的选择
开关器件工作特点 开关两端电压为正时，导通。 开关两端电压反转时，关断。 常采用二极管（晶闸管）作为开关器件。
vs -vs
O
wt
3.2.2 恒流型负载下理想电路的 工作原理
• 输出电压vd和电流id
vd (t ) vs
特点： vd表达式同电阻负载， 只是id电流波形不同
vs -vs
O
wt
• 输入电流（电源电流)is
id if vs 0 is id if vs 0
特点： is表达式同电阻负载， 只是电流波形不同
负载变化时三相整流器Vd变化范围小于5％，远小于单相 整流器的变化范围
单相桥式整流 三相桥式整流
结论:在大功率系统中，建议采用三相桥式整流器。
3.4.2 线电流谐波和功率因数补偿问题
• 整流器的交流侧输入电流是非正弦的，且畸变很严重。 • 由于线电流中含有大量谐波导致功率因数较差。