功率二極管與整流：從器件到半波整流電路的完整解析
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一、引言：當“小信號二極管”不夠用了
在小信號電路中，我們經常使用 1N4148 這類小信號二極管，它可以：
導通幾十到一兩百毫安的電流
在高頻、脈沖、小電壓信號下工作良好
用于開關、限幅、箝位、邏輯電路等
但一旦場景變成：
市電 220V 整流
充電器、適配器、電源模塊整流
幾安培甚至幾十安培的直流輸出
工業整流、電機驅動、逆變、電焊機等
小信號二極管就徹底不夠用了——結面積太小、電流能力太低、散熱跟不上，用它來整流，很快就會因為過熱而燒毀。
于是，就有了專門為“高電流、高電壓整流”設計的器件：
功率二極管（Power Diode / Rectifier Diode）。
二、功率二極管：和小信號二極管到底差在哪里？
2.1 結構與能力上的差異
功率二極管本質仍然是 PN 結，但：
PN 結面積要大得多
結構更粗壯，導線更粗，內部硅片更厚
封裝允許安裝在散熱片上（螺柱安裝、金屬底座等）
這些帶來的性能差異是非常直觀的：
正向電流能力 IF 非常大
從幾安培到幾十安培
模塊型（整流橋）甚至可達上百安甚至上千安
反向耐壓 VR 非常高
典型產品可以從幾十伏到幾千伏
可用于高壓整流、電焊機、電機驅動和高壓電源
正向“導通電阻”極小
等效 ON 電阻在幾百毫歐甚至更低
目的是減少導通損耗 I × VF
封裝專門考慮散熱
螺柱型可直接擰在散熱片上
模塊型底部為金屬底板，方便螺栓固定+導熱硅脂
可以簡單理解為：
功率二極管 = “肌肉版的二極管”，專為大電流、高電壓整流服務。
2.2 功率二極管的頻率限制
因為 PN 結面積大、載流子存儲多，功率二極管的 反向恢復時間較長，不適合高頻：
一般適合工頻（50/60Hz）到幾十 kHz 級的整流
到了幾百 kHz、MHz 以上的高頻應用，則需要用 快速恢復二極管或肖特基二極管
常見的設計習慣：
工頻電源整流：1N400x 系列、橋堆、整流模塊
高頻開關電源整流：快恢復二極管、肖特基二極管
三、典型的功率整流二極管系列：1N400x
在通用電子設計和工頻電源里，最常見的小功率整流二極管就是：
1N400x 系列（1N4001～1N4007 等）
它們的共同特征：
連續正向整流電流 IF ≈ 1A
正向壓降 VF ≈ 0.7～1.1V（視電流而定）
不同型號的主要區別在于 反向耐壓 VR(max)
例如：
1N4001：VR(max) ≈ 50V
1N4007：VR(max) ≈ 1000V
由于 1N4007 的耐壓最高，而且成本差不多，所以在通用電子設計中：
1N4007 幾乎成為“通用整流二極管”的首選。
四、整流的本質：把 AC 變為“單向”的 DC
二極管的最典型應用，就是整流（Rectification）：
輸入：交流電（AC），電壓周期性正負交替
輸出：單向脈動電壓（Pulsating DC）
最簡單的整流電路就是：
單個功率二極管 + 負載電阻
這就是“半波整流（Half-Wave Rectification）”。
五、半波整流電路工作原理
5.1 電路結構
一個最基本的半波整流電路包括：
一臺 AC 電源（例如變壓器次級）
一個功率二極管 D
一個負載電阻 R（可以代表后級電路或負載）
連接方式：
交流電源一端 → 二極管陽極
二極管陰極 → 負載 R → 回到交流電源另一端
5.2 正半周：二極管導通
當 AC 輸入處于 正半周 時：
電源正端電壓高于負端
二極管陽極電位高于陰極
二極管正向偏置
結果：
二極管導通，近似等效為小電阻
負載電阻上出現近似和輸入相同的正弦電壓（減去約 0.7V 的導通壓降）
此時：
輸出電壓 Vout ≈ 正半周的正弦波（峰值略低于輸入峰值）
5.3 負半周：二極管截止
當 AC 輸入處于 負半周 時：
電源極性反轉
二極管陰極電位高于陽極
二極管反向偏置
結果：
二極管截止，相當于斷路
負載電阻上沒有電流流過
輸出電壓 Vout = 0
綜上，輸出波形是：
正半周：有電壓（正弦）
負半周：0
周期性重復
即：單向脈動直流（Pulsating DC）
六、半波整流的平均輸出電壓與電流（純文本公式）
設輸入為：
正弦電壓，峰值為 Vmax
對應的有效值為 Vrms
其中 Vrms = Vmax / 根號2 ≈ Vmax * 0.707
對于理想半波整流電路（忽略二極管壓降）：
1）平均輸出電壓 Vdc（即整流后的直流分量）
半波整流的直流分量可以證明為：
Vdc ≈ 0.318 × Vmax
也可寫成 Vdc ≈ 0.45 × Vrms
兩種寫法等價，因為 Vmax ≈ 1.414 × Vrms；
0.318 × 1.414 ≈ 0.45。
2）平均輸出電流 Idc
若負載為 R：
Idc = Vdc / R
3）負載上的平均功率 Pdc
Pdc = Vdc × Idc
也就是 = Vdc2 / R
注意：
這只是平均值，實際輸出是“有波形的脈動直流”，只是在工程上常用其平均值來衡量“等效直流效果”。
七、例題：240Vac 半波整流，帶 100Ω 負載
題目（就是你原文里的例子）：
單相 240V（RMS）交流電源，經過一個半波整流二極管接到 100Ω 電阻上，試求：
1）整流后的平均輸出電壓 Vdc
2）平均輸出電流 Idc
3）平均直流功率 Pdc
第一步：先算 Vmax 和 Vdc
輸入：
Vrms = 240 V
Vmax = Vrms × 根號2 ≈ 240 × 1.414 ≈ 339 V（取整）
平均輸出電壓：
Vdc ≈ 0.45 × Vrms
≈ 0.45 × 240
≈ 108 V
或者用 0.318 × Vmax 也近似相同：
0.318 × 339 ≈ 108 V（略約）
第二步：算平均輸出電流 Idc
R = 100 Ω
Idc = Vdc / R ≈ 108 / 100 ≈ 1.08 A
第三步：算平均直流功率 Pdc
Pdc = Vdc × Idc ≈ 108 × 1.08
粗略算：100 × 1.08 = 108
8 × 1.08 = 8.64
總計 ≈ 116.64 W
工程上可以說：
Vdc ≈ 108 V
Idc ≈ 1.08 A
Pdc ≈ 117 W（約）
八、半波整流的“紋波”和問題
雖然半波整流能把 AC 變成“單向”，但問題也很明顯：
只有正半周有輸出，負半周為 0
實際上只利用了輸入功率的一半
輸出功率利用率低
輸出電壓不是平滑直流，而是“正半周電壓 + 間歇為零”的鋸齒型波形
紋波很大
需要對后級進行濾波或穩壓
紋波頻率等于 AC 源的頻率
若市電為 50Hz，則紋波也是 50Hz
在此基礎上進行濾波，就需要較大的電容或后級穩壓器來抑制
九、加上電容濾波：半波整流 + 濾波電容的行為
為了讓輸出電壓“看起來更像直流”，常見做法是在負載兩端并聯一個大電容：
電容與負載并聯
利用電容“充電與放電”特點來抑制電壓下降
原理簡述：
正半周時，二極管導通
電容被充電到接近電壓峰值 Vmax
當輸入電壓下降時，二極管可能截止
電容通過負載電阻緩慢放電
在一個工頻周期內，電容電壓從峰值略微下降，而不是立刻掉到零
這樣，負載看到的是：
電壓在高位附近上下緩慢變化，而非“半周有、半周無”
紋波變為“鋸齒形頂部的小紋波”
電容越大、負載電流越小：
電壓下降越慢，紋波越小
輸出越接近“平滑直流”
但局限也很明確：
半波整流的“供電時間只在正半周”，電容有很長時間在單獨供電
為了抑制紋波需要更大的電容
成本、體積、電流紋波對后級影響都變大
從工程角度看，單相半波整流 + 電容濾波不是一個高質量電源方案
更常用的是 全波整流 / 橋式整流，紋波頻率是 2 倍工頻，電容可以做得相對小，直流質量也更好。
十、功率二極管在整流以外的應用
雖然“整流”是功率二極管的代表性用途，但它還有多個常見應用：
續流二極管 / 自由輪二極管（Freewheel Diode）
接在繼電器線圈、直流電機等感性負載兩端
保護開關器件（晶體管、MOSFET、IGBT）免受感性尖峰電壓損傷
吸收回路、緩沖電路（Snubber）
與電阻、電容組合使用
限制電壓上升斜率 dv/dt
抑制諧振和電磁干擾
整流橋模塊
多個功率二極管組成全橋
直接把 AC 兩端接入，即可得到 + 和 - 的 DC 輸出
常用在線性電源、開關電源輸入整流部分
十一、半波整流的工程評價：優缺點一覽
優點：
電路結構極其簡單
器件數量極少，只需一個二極管
成本低、易于理解
缺點：
利用率低
負半周完全浪費
輸出平均電壓 Vdc 只有 0.318×Vmax
輸出紋波大
單相半波輸出的紋波頻率與電源一致
濾波困難，電容要很大
載波電流為脈動直流
對負載而言不夠穩定
可能引起噪聲、振動（如電機）、發熱分布不良等
因此，在實際電源設計中：
半波整流更多用于低功率、低成本、要求不高的場合。
一般電源設計會采用 全波整流 / 橋式整流，后面再配以電容、穩壓、濾波網絡，以獲得高質量的直流電壓。
十二、總結：從“一個功率二極管”到“完整電源系統”的第一步
功率二極管和半波整流，是電力電子和電源技術的入門。但要設計一個真正可用的電源系統，還需要后續：
全波整流 / 橋式整流電路
平波電容的容量計算
三端穩壓器、開關穩壓管、DC-DC 轉換拓撲
瞬態保護與浪涌抑制
安規與隔離設計
不過，從理解這一個簡單的“功率二極管 + 半波整流”開始，你已經走出了電源工程的第一步。
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