功率二極管（Power Diode）是一類能夠在高電壓與大電流條件下工作的半導體器件，是各類 AC/DC 轉換電路中最基礎、最關鍵的器件之一。與信號級二極管相比，功率二極管更適用于電源整流、蓄電池充電、逆變器及續流回路等場景，可在數百安培電流以及數千伏反向耐壓條件下可靠工作。

1. 功率二極管結構與電氣特性

1.1 PN 結面積與能力

功率二極管具有比小信號二極管更大的 PN 結面積，從而：

• 提供更大的正向電流能力（百安培至千安培）

• 獲得更高反向耐壓（上千伏）

但較大 PN 結帶來較慢的反向恢復時間，因此不適用于 1 MHz 以上場合。高頻電源常采用肖特基二極管以獲得低壓降與快速恢復。

1.2 導通與截止特性

• 正向偏置：導通，正向電阻小于 1 歐姆

• 反向偏置：截止，反向電阻高達兆歐級

部分大功率二極管支持螺柱安裝以降低熱阻至約 0.1~1 ℃/W。

2. 功率二極管在整流中的作用

在交流電壓的正半周，二極管導通；在負半周，二極管截止。因此輸出為單向脈動直流。功率二極管可構成半波、全波與橋式整流電路。

常見的市電整流器件為 1N400x 系列，正向電流約 1 A，反向耐壓從 50 V（1N4001）到 1000 V（1N4007），其中 1N4007GP 普遍用于市電整流。

3. 半波整流：工作機理與數學描述

3.1 工作原理

半波整流僅利用正半周：

• 正半周：二極管導通，負載取得電壓

• 負半周：二極管截止，負載電壓為 0

輸出為明顯斷續的脈動直流。

3.2 平均輸出電壓（純文本公式）

輸入交流電壓：

• 峰值電壓：VMAX

• 有效值電壓：VRMS

半波整流輸出的平均直流電壓：

VDC = VMAX / pi

或以有效值表示：

VDC = 0.45 * VRMS

4. 示例計算：240 V AC 半波整流（純文本公式）

已知條件

VRMS = 240 V
R = 100 Ω

4.1 計算平均輸出電壓

VDC = 0.45 * VRMS
VDC = 0.45 * 240 = 108 V

4.2 計算平均電流

IDC = VDC / R
IDC = 108 / 100 = 1.08 A

4.3 平均功率

PDC = VDC * IDC
PDC = 108 * 1.08 = 116.64 W

5. 紋波與濾波：儲能電容的作用

由于只有正半周有輸出，半波整流的紋波頻率等于電網頻率（50 Hz 或 60 Hz），紋波嚴重。

并聯濾波電容的作用為：

• 正半周導通時充電

• 負半周截止時放電

放電時間由 RC 時間常數決定：

放電時間常數 τ = R * C

負載越大（即 R 越小），電容放電越快，紋波越大。

但在半波整流中，即使加大電容，紋波仍難有效降低，因此工程中更常使用全波整流或橋式整流以將紋波頻率提高到兩倍，從而顯著改善輸出平滑度。

6. 半波整流工程評估

優點

• 電路最簡單

• 成本低

• 易實現

缺點

• 能量利用率僅 50%

• 輸出電壓低

• 紋波嚴重

• 不適用于穩定 DC 供電需求

因此常用于低功率輔助電源或對電壓質量要求不高的場合。