3.3　整流二极管

整流二极管英文为Rectifier（直译为整流器），简称整流管，是一种将交流电转变为直流电的半导体元件。整流二极管包含一个PN结，有正极和负极两个引脚。整流管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从整流管的正极流入、负极流出。整流二极管种类繁多，封装形式也是多种多样。图3-3-1给出了几种不同外形的整流二极管实物图片，供读者识别与参考。

整流二极管可分为普通整流二极管、开关二极管、快恢复二极管和肖特基二极管等多种类型。图3-3-1（a）给出了轴向封装的二极管外形，是最常见的二极管外形。该封装形式的二极管额定电流一般不超过6A，涵盖了普通整流二极管、开关二极管、快恢复二极管和肖特基二极管等多种类型；图3-3-1（b）给出了贴片（SMD）封装的二极管外形，大功率的贴片二极管额定电流可达10A以上；图3-3-1（c）给出了TO-220和TO-247封装的二极管外形，这种封装的二极管额定电流通常为10~60A。贴片封装和TO-220/TO-247封装以快恢复二极管和肖特基二极管为主。不论哪种封装形式，外形体积越大的二极管额定电流通常也越大。

此外，贴片封装和TO-220/TO-247封装的二极管经常采用双二极管结构，即两只二极管封装在一起，一般为共阳极和共阴极结构，也有采用半桥（两只二极管串联）结构的产品。双二极管结构引出一个公共引脚，因此这种封装的二极管有3个引脚，应注意与双极型晶体管、功率MOSFET以及三端稳压器等加以区分。

不同类型的整流二极管参数与性能差异较大，应用领域也不一样。但其基本工作原理和相关参数定义是完全相同的。表3-3-1中给出了几种整流二极管的特性对比，供读者参考。

3.3.1　整流二极管的伏安特性与主要参数

整流二极管的电气符号和伏安特性如图3-3-2所示。其中图（a）为电气符号，阳极（也称正极）用A表示，阴极（也称负极）用K表示。三角形箭头指出了电流方向，即电流只能从阳极A流向阴极K。对于图3-3-1（a）中轴向封装的二极管，阴极K的一端通常印有银色环状标记，来标识阴极引脚。

整流二极管的伏安特性如图3-3-2（b）所示。在二极管的阳极A与阴极K之间施加很小的正向电压时，并不会产生正向电流。只有正向电压达到一定幅度才会出现正向电流。刚开始产生正向电流时的电压称为死区电压，该电压与整流二极管的材料和工作温度有关。普通硅材料的二极管，死区电压约为0.5V；肖特基二极管的死区电压仅为0.1V。随着正向电压的上升，正向电流也逐渐增大。当正向电流达到额定值（常用I_F表示）时，对应的正向电压被称为正向压降（常用U_F表示）。

当整流二极管施加反向电压的时候，只有很小的反向漏电流（常用I_R表示），二极管处于反向截止状态。当反向电压很高的时候，二极管会被击穿，该电压称为击穿电压（常用U_BR表示）。达到击穿电压U_BR时，二极管反向电流将急剧增加，此时如果反向电流过大就会造成二极管被击穿损坏。显然，正常工作时的反向电压一定要小于击穿电压U_BR。

整流二极管的主要参数如下。

① 重复峰值反向电压（Repetitive peak reverse voltage），用U_RRM表示。该电压是二极管正常工作时允许施加的最大反向电压，简称为反向电压或反压，也叫耐压。

② 正向压降（Forward voltage），用U_F表示。该电压是二极管流过额定正向电流（或测试电流）时产生的压降。U_F越小其功率损耗就越低。

③ 平均整流电流（Average forward current），用I_F（AV）表示。该电流定义为二极管允许流过50Hz（或60Hz）正弦半波电流的平均值。有时也用正向电流I_F来代替。

④ 正向峰值浪涌电流（Peak forward surge current），用I_FSM表示。该电流定义为流过仅一个周期50Hz（或60Hz）正弦半波电流的峰值，是描述二极管过载能力的技术指标。

⑤ 反向漏电流（Reverse current），用I_R表示。该电流为二极管施加一定反向电压时产生的漏电流。反向漏电流I_R通常很小，可以忽略。

⑥ 反向恢复时间（Reverse Recovery Time），用t_rr表示。该参数是指二极管从正向导通状态突然施加反向电压而产生的瞬时反向电流下降到规定值以下所需要的时间。t_rr是描述开关二极管和快恢复二极管的重要指标之一，对开关电源的开关损耗影响较大。普通二极管的t_rr一般为1~3μs，快恢复二极管的t_rr通常在35~200ns之间。

需要说明，整流二极管的正向压降参数是指二极管流过额定正向电流（或测试电流）时产生的压降值，当正向电流变化时，其正向压降也不相同。例如，1N4007的正向压降与正向电流的关系如图3-3-3所示。

从图3-3-3中可以看出，当1N4007的正向电流为1.0A时，正向压降在0.9V以上；当正向电流降为0.1A时，正向压降不到0.8V。也就是说，降低整流管的工作电流，其正向压降值会变小。这也说明，选择更大额定电流的整流管，可以获得更低的正向压降，从而降低整流管的功率损耗。

此外，当整流管工作在高温环境时，其正向电流额定值也要降低。例如，1N4007的正向电流与环境温度对应关系如图3-3-4所示。从图中可以看出，环境温度低于75℃时，1N4007允许的正向电流为1.0A。环境温度超过75℃时，允许的正向电流逐渐降低。例如100℃时，正向电流要降低至0.75A左右。也就是说，在高温时整流管必须要降额使用。

整流二极管的选择应该遵循以下原则：

① 整流二极管的反向电压U_RRM应为实际承受最大反向电压U_M的1.5~2倍；

② 整流二极管的平均整流电流I_F（AV）应为实际承受最大平均电流的2~3倍；

③ 功率开关管和高频变压器相关的整流二极管必须采用快恢复二极管；

④ 当整流二极管工作在高温环境时，需要考虑降额使用问题。

开关电源的输入整流电路通常采用普通整流二极管，它具有较大的浪涌电流承受能力。开关电源的输出整流电路和缓冲吸收电路，必须采用开关速度很快的快恢复二极管（FRD）、超快恢复二极管（SRD）和肖特基二极管（SBD）等。它们具有开关特性好、反向恢复时间短、正向电流大、体积小、安装方便等优点。这类二极管的主要参数定义与普通整流管基本相同，但参数特性有较大差异。下面详细介绍各种类型整流二极管的特性差异。

3.3.2　普通整流二极管

普通整流二极管的工作频率通常在1kHz以下，主要用于50Hz或60Hz的工频整流电路中。开关电源的输入整流电路使用的就是普通整流二极管。普通整流二极管最常见的外形是图3-3-1（a）所示的轴向封装。几种常用普通整流管的主要参数见表3-3-2。

需要说明：不同厂家生产的相同型号整流管，个别参数会有一些差异。表中的正向压降是在额定正向电流时测量的最大压降值，正向电流不同时，其正向压降也不相同。

由于工频整流电路大多采用图3-3-5（a）所示的桥式整流结构，因此众多半导体器件厂家将4只整流二极管连接后，再用塑料封装成半导体器件或模块，称其为整流桥。整流桥有4个引出端，两个交流输入端和两个直流输出端。图3-3-5给出了整流桥的内部结构、电路符号和几种整流桥的外形。

其中图3-3-5（b）给出了整流桥的两种电路符号。标有“AC”或者“~”的是两个交流输入端，连接电路时不区分极性；标有“+”和“-”的是两个直流输出端，分别为直流电压的正极和负极。图3-3-5（c）给出了整流桥的几种外形图。体积较小的额定电流较小；额定电流越大体积也越大。大电流的整流桥通常使用铝质金属外壳，以便安装散热器。不同厂家生产的整流桥，4只引脚的排列顺序可能不同，使用时应仔细观察整流桥上面的标识符号或者相应厂家的技术资料。几种整流桥的主要参数见表3-3-3。

整流桥的主要参数与整流管基本相同，整流管的相关特性也适用于整流桥。由于整流桥内部将4只整流管接成桥式整流结构，具有体积小、便于安装，使用方便等优点，在开关电源的整流电路中应用非常广泛。小功率整流桥可直接焊在印刷板上，大功率整流桥则需要用螺丝固定在合适的散热器上。整流桥与整流管不同的相关参数需要说明如下。

① 整流桥的正向电流通常用输出电流I_O来表示，I_O为整流桥内部单只整流管平均整流电流的2倍。即每只整流管的平均整流电流I_F（AV）为I_O/2。

② 整流桥的正向压降是指其内部单只整流管正向压降，而不是两只整流管的压降之和。而且电流较大的整流桥，例如KBPC1508和KBPC3510，其正向压降U_F是在正向电流为输出电流I_O的一半（即I_O/2）时测量的。当正向电流更大时，其正向压降也会变大。

③ 整流桥的浪涌电流，特别是电流较大的整流桥，相比整流管要小很多。在浪涌电流较大的情况下使用时，需要加大安全余量。

根据整流桥的参数特点，选择整流桥的时候，应该遵循以下原则：

① 整流桥的反向电压U_RRM应为实际承受最大反向电压U_M的1.5~2倍；

② 整流桥的输出电流I_O应为整流电路最大平均电流I_DC的2~3倍；

③ 当整流桥工作在高温环境时，也需要考虑降额使用；大功率整流桥必须安装合适的散热器，防止其因过热而损坏。

3.3.3　快恢复整流二极管（FRD）

快恢复整流二极管，英文为Fast Recovery Rectifier，缩写为FRD，简称快恢复二极管。比其性能更好的还有超快恢复整流二极管（Ultra-Fast Rectifier）和软恢复整流二极管（Soft-Recovery Rectifier），它们性能参数类似，这里一并讨论。

快恢复二极管的反向恢复时间对开关电源的开关损耗影响较大，是整流管的主要参数之一。反向恢复时间t_rr的定义如图3-3-6所示。首先让整流管的正向电流为0.5A，然后给整流管施加一定的反向电压，使其反向峰值电流为1.0A，随着时间的延长，反向电流逐渐衰减到零。在施加反向电压后，整流管正向电流下降到零的时刻计时开始，当反向电流减小为0.25A的时刻计时结束，这两点间的时间差定义为反向恢复时间t_rr。

快恢复二极管（FRD）最大的优点是反向恢复时间短，开关损耗低，非常适合高频整流电路应用。但其正向压降U_F值较大，和普通整流管相比，其导通损耗略大一些。FRD型号和生产厂家众多，选择范围很大。表3-3-4列出了几种快恢复二极管的主要参数，供读者选择元件时参考。

需要说明，快恢复二极管的反向恢复时间t_rr是在图3-3-6所示的情况下测量的，当实际正向电流更大的时候，其反向恢复时间也会增加。因此，在价格差异不大的情况下，应尽量选择t_rr更小的超快恢复二极管。

3.3.4　肖特基整流二极管（SBD）

肖特基整流二极管，英文为Schottky Barrier rectifier，缩写为SBD，简称肖特基二极管。肖特基二极管的优点有两个显著的优点：一个是反向恢复时间短，其t_rr小于10ns，开关损耗基本可以忽略；另一个是正向压降低，其U_F通常为0.5~0.8V，能够明显降低导通损耗。肖特基二极管在开关电源中应用非常广泛，但其反向电压一般只能做到100V左右，因此，只能在输出电压较低（通常小于15V）的整流电路中使用。表3-3-5给出了几种肖特基二极管的主要参数，供读者参考。

另外，近几年问世了一种碳化硅二极管，其全称为碳化硅肖特基二极管，英文为SiC Schottky Diode。碳化硅二极管的反向恢复时间t_rr几乎为0，其开关损耗可以忽略，可以提高开关电源的效率。碳化硅二极管的反向电压可以做到1000V以上，具有很好的发展前景。但其正向压降U_F较大，通常为2V左右。目前，碳化硅二极管的价格还比较高，约为快恢复二极管的3~5倍，主要用于对效率要求较高的输出整流及PFC电路中。