1.1 整流器件
整流电路的关键器件为单向导电器件——整流二极管。早期整流器件多半采用电子管（整流二极管）、离子管（汞弧整流管）。由于上述两种整流管具有维护困难、可靠性差、效率低等缺点，已经逐渐被半导体整流二极管代替。同时整流器件必须具备如下特性：正向压降低、最大反向电压高、反向电流小、使用寿命长、能充分适应外界工作环境变化。所以比较具有实用价值的半导体整流器件主要包含硅、锗、硒。本节将对整流二极管的基本工作特性、主要参数及故障原因进行详细分析。
1.1.1 整流二极管的基本工作特性
整流二极管包含一对PN结，具有阳极和阴极两个端子。P区载流子为空穴，N区载流子为电子，在P区和N区间形成势垒。外加使P区相对N区为正的电压时，势垒降低，其两侧附近产生存储载流子，导通电流大大增加，并且具有较低的电压降（典型值为0.7V），称为二极管正向导通。若加相反的电压使势垒增加，可承受高反向电压，流过PN结的反向电流（也叫反向漏电流）很小，称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。
整流二极管通常采用半导体硅、锗或硒等材料制造。硅整流二极管击穿电压高、反向漏电流小、高温性能良好，通常高压大功率整流二极管均由高纯单晶硅制造（掺杂较多时容易反向击穿），其结面积较大，能够通过较大电流（可达上千A），但工作频率不高，通常在几十kHz以下。
二极管和整流器的工作特性：理想二极管是在一个方向上以零电阻导通而在另一方向提供开路的器件。例如，如果VD1是理想二极管，而不是1N4002或1N4007，其阳极连接到正电压，如图1.1所示，正向偏置时电阻R1上的电压为9V；当电池负极连接到二极管阳极时为反向偏置模式，此时电阻R1上的电压为0V。
图1.1 二极管正向和反向偏置连接
然而，对于任何二极管，当二极管导通（例如正向偏置模式）时阳极至阴极之间总存在电压损耗。正向电压损耗有时称为正向压降VF，正向压降取决于二极管的材料类型，如硅、锗或铝（肖特基二极管）。为了研究二极管的正向压降，可对1N4002等功率整流器进行正向偏置，并对各种小信号二极管如1N914或1N4148等在各种电流时的电压降进行比较，具体如图1.2所示。
图1.2 测量二极管阳极与阴极两端正向压降的实验
图1.2中元器件清单：
●9V电池和连接器；
●1 kΩ、10 kΩ和100 kΩ的欧姆电阻，0.25 W，5%；
●1N914或1N4148二极管或任何硅小信号二极管；
●1N4002～1N4007整流器或任何硅功率整流器；
● 数字电压表（VOM）。
实验结果见表1.1，如果读者实际测试，测试结果可能略有差别。
表1.1测量二极管正向压降
计算二极管电流时首先求解R1两端电压（
-VF），然后使用欧姆定律计算二极管电流为
小信号二极管具有明显的内部电阻，而功率二极管主要用于处理大电流，所以其内部电阻较低。如表1.1所示，在约10mA时功率整流器1N4002的正向偏置VF比1N914低。还应注意，对于大约每十倍（10倍）电流增加，1N4002的电压降会增加约100～120mV。因此，当二极管电流增大百倍（100倍），二极管电压在200～240mV范围内增加。通过以上数据可以看出二极管与LED具有类似的电压—电流特性。当LED电流十倍（10倍）增加时，其正向电压（阳极和阴极）增加60～120mV。锗二极管的典型导通电压为0.2V，肖特基二极管为0.4V，硅二极管为0.6V。
1.1.2 整流二极管的主要参数
（1）最大平均整流电流IF：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，并满足散热要求。例如，1N4000系列二极管的IF为1A。
（2）最高反向工作电压VR：二极管两端允许施加的最大反向电压。若大于此值，则最大反向电流（IR）剧增，二极管单向导电性被破坏，从而引起反向击穿。通常取反向击穿电压VB的50%作为VR。例如，1N4001 的VR为50V，1N4002～1N4006的VR分别为100V、200V、400V、600V和800V，1N4007的VR为1000V。
（3）最大反向电流IR：二极管在最高反向工作电压下允许通过的反向电流，此参数反映二极管单向导电性能的好坏。因此电流值 IR越小，表明二极管质量越好。
（4）反向击穿电压VB：二极管反向伏安特性曲线急剧弯曲点的电压值；反向为软恢复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：二极管正常情况下的最高工作频率。主要由PN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得到很好的体现。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：在规定负载、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C0：二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，25℃时测得1N5200系列硅塑封整流二极管的 IR小于10μA，而在100℃时IR则变为小于500μA。
1.1.3 高频整流二极管的工作特性
开关电源中的整流二极管必须具有正向压降低、快速恢复等特点，还应具有足够大的输出功率，所以通常采用以下三种类型的整流二极管：快恢复整流二极管、超快恢复整流二极管和肖特基整流二极管。快恢复和超快恢复整流二极管具有适中和较高的正向电压降，其范围为0.8～1.2V。上述两种整流二极管同时具有较高的反向电压，因此特别适合在输出电压为12V左右的小功率辅助电源电路中使用。
由于现代开关电源工作频率均在20kHz以上，与普通整流二极管相比，快恢复整流二极管和超快恢复整流二极管的反向恢复时间已经减小至毫微秒级，因此电源效率大大提高。选择快恢复整流二极管时，其反向恢复时间至少应为开关晶体管上升时间的1/3。快恢复和超快恢复整流二极管能够降低开关电压尖峰，而电压尖峰直接影响输出直流电压纹波。另外，虽然某些软恢复型整流二极管噪声较小，但是其反向恢复时间较长、反向电流较大，因而使得开关损耗增加，并不能满足开关电源的工作要求。
快恢复整流二极管和超快恢复整流二极管在开关电源中作为整流器件使用时是否需要散热器主要取决于实际最大功耗。通常情况下，二极管制造时允许的结温为175℃，生产厂家对该指标均有明确技术说明，以供设计者计算最大输出工作电流、电压及外壳温度。肖特基整流二极管即使工作在大正向电流时，其正向压降也很低，仅为0.4V左右，而且随着结温增加其正向压降将会更低。所以使得肖特基整流二极管特别适用于5V左右的低压输出电路中。肖特基整流二极管的反向恢复时间可忽略不计，因为该器件为多数载流子半导体器件，开关过程中不必清除少数载流子存储电荷。
肖特基整流二极管有两大缺点：其一，反向截止电压承受能力较弱——最高电压约为100V；其二，反向漏电流较大，使得该器件比其他类型整流器件更容易受热击穿。上述缺点也可通过增加瞬时过电压保护电路及适当控制结温的技术进行克服。