在電路中，二極管由于其單向?qū)щ娞匦员粡V泛使用。從電路理論的角度講，電阻R，電感L，電容C可以組成最基本的線性網(wǎng)絡(luò)。而二極管作為一種單向?qū)щ娖骷溟_關(guān)動(dòng)作引入了其他頻率分量，造成了電路模型的非線性。

因此在經(jīng)典的電路理論中很少被討論到。但在實(shí)際的工程應(yīng)用中，二極管卻是同電阻電容這些線性元件具有同等地位的常用元件。相關(guān)理論和案例的缺失，導(dǎo)致知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的脫節(jié)，很多初學(xué)者只能通過別人的電路經(jīng)驗(yàn)去死記硬背，而不會(huì)去對應(yīng)具體的線路圖去分析。 今天我們來幫助初學(xué)的讀者打破這種僵局 。

一份電源產(chǎn)品的BOM表中，以D字母開頭的二極管標(biāo)志占用的篇幅一定不會(huì)太少。這是由于電源中需要有大量的開關(guān)動(dòng)作，無論是主電路，還是控制電路，都少不了實(shí)時(shí)的開關(guān)狀態(tài)變化。

所以下文中我們從電力電子線路的角度出發(fā)，結(jié)合不同的應(yīng)用實(shí)例，來理解二極管單向?qū)щ娞匦浴：竺嬗袡C(jī)會(huì)的話，我們再從半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)出發(fā)，更深入地講解二極管的物理特性。今天我們側(cè)重應(yīng)用。

所謂內(nèi)涵，也就是單向?qū)щ娞匦运鶎?yīng)的電壓電流曲線。這條曲線描述的是二極管的伏安特性，是這一類元件（PN結(jié)）所具備的通性。

我們先考慮理想的二極管模型，它的伏安特性如下圖。二極管導(dǎo)通時(shí)，不考慮PN結(jié)壓降，兩端電壓為零，運(yùn)行軌跡就在i軸的正半軸，電流大小由外部電路決定。二極管截止時(shí)，忽略漏電流，運(yùn)行軌跡就在v軸的負(fù)半軸，PN結(jié)承受的反壓同樣由外部電路決定。可以看到，二極管具有導(dǎo)通正向電流，阻斷反向電壓的作用。這便是二極管PN結(jié)的單向?qū)ㄌ匦裕彩撬邪雽?dǎo)體外特性的基礎(chǔ)。

當(dāng)然，如果考慮到二極管的 實(shí)際特性 ，伏安特性曲線就會(huì)略有調(diào)整。

對于二極管的實(shí)際模型，我們需要關(guān)心的內(nèi)容其實(shí)很多，一份二極管的datasheet規(guī)格書，會(huì)貼出二極管的各個(gè)指標(biāo)，這些指標(biāo)用于二極管的選型。具體datasheet上參數(shù)的解釋，我們后面找機(jī)會(huì)再介紹，今天我們先關(guān)注二極管的應(yīng)用，也就是單向?qū)щ娦缘耐庋印?/strong>

上文中我們提到，電力電子電路的功率部分和控制部分都需要用到二極管。這兩部分用到的二極管分別可以成為功率二極管和信號二極管，從技術(shù)角度來講，這樣的區(qū)分只是一個(gè)簡單的不嚴(yán)格歸類，是為了方便大家認(rèn)識(shí)電路系統(tǒng)中二極管的應(yīng)用。實(shí)際的二極管有非常多的形式，這需要半導(dǎo)體原廠的專家來總結(jié)，這里不做贅述。

下面我們來舉例說明各種系統(tǒng)中二極管的應(yīng)用。例1到例3，是建議電力電子專業(yè)的初學(xué)者參考的，例4到例9，非本專業(yè)的感興趣讀者也可以看的。

例1

第一個(gè)最典型的應(yīng)用例子就是電感電流續(xù)流，英文稱為freewheeling。在我們公眾號的第一個(gè)主題中，有講到過這一點(diǎn)。二級管流通開關(guān)管關(guān)斷后的感性電流，感性電流可以來源于濾波電感，諧振電感，或者是變壓器漏感，因?yàn)殡姼惺莾?chǔ)能元件，其電流不能突變。

那么為什么要通過二極管續(xù)流呢？因?yàn)槎O管這條支路是壓降最低的，我們知道電流的特性是優(yōu)先選擇低阻抗的回路流通， 當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管在瞬態(tài)進(jìn)入線性區(qū)，其等效電阻要遠(yuǎn)大于二極管導(dǎo)通時(shí)的等效阻抗，因此二極管導(dǎo)通。同理，開關(guān)管再次開通時(shí)電流就會(huì)流向低阻抗的開關(guān)管溝道 。

我們常見的Buck電路，Boost電路，F(xiàn)lyback電路，都是利用了這一點(diǎn)。國外的學(xué)者把這樣的結(jié)構(gòu)稱為感性三端口開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，如下圖。三個(gè)元件的位置可以互換，組成不同形式的網(wǎng)絡(luò)，但原理都是二極管完成續(xù)流，保證電感能量的連續(xù)性。

上圖中兩個(gè)坐標(biāo)圖分別代表了兩個(gè)理想的開關(guān)器件在導(dǎo)通和截止時(shí)的伏安點(diǎn)。

那么，圖中的二極管可以換成其他的主動(dòng)器件嗎？當(dāng)然可以，同步整流的概念就是這樣來的。感興趣的讀者可以查閱相關(guān)同步整流資料，這里我們主要關(guān)注被動(dòng)器件--功率二極管。

在二極管續(xù)流的過程中，當(dāng)下一個(gè)開關(guān)周期到來，二極管就會(huì)從導(dǎo)通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)，并且在切換過程中產(chǎn)生反向恢復(fù)。可以看到，二極管的開通關(guān)斷，完全是被開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)及電感的能量狀態(tài)決定的。所以我們把二級管歸類為被動(dòng)器件（Passive Components)。與被動(dòng)器件相對應(yīng)的是主動(dòng)器件（Active Components)，如MOSFET，IGBT，BJT等，通過控制主動(dòng)器件的門極驅(qū)動(dòng)可以控制開關(guān)管的通斷。

值得注意的是，在功率電路中，我們需要選定某個(gè)具體場合的二極管，即二極管選型。這時(shí)我們需要關(guān)心二極管的電壓電流應(yīng)力。一般來說，當(dāng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定下來后，主動(dòng)器件和被動(dòng)器件的應(yīng)力基本就被定下來了（如果不考慮各種工程上的極端工況）。

任何一個(gè)主電路功率拓?fù)洌灰鞔_知道了主動(dòng)器件和被動(dòng)器件在各個(gè)模態(tài)的運(yùn)行狀態(tài)及其物理意義，就可以畫出電路關(guān)鍵器件的電壓電流波形。波形可以通過實(shí)測得到，也可以通過仿真及理論分析得到，最好是兩者結(jié)合。有了波形，就能從數(shù)學(xué)上直觀地計(jì)算出其電壓電流應(yīng)力，從而就為器件選型提供了依據(jù)。

在上圖的Buck電路中，二極管的電壓應(yīng)力就是輸入電壓，那么選用的二極管的擊穿電壓一定要高于電路的最高輸入電壓，一般還要取20%-50%的余量以保證電壓尖峰和各種極限工況。

例2

各種功率電路中，二極管另一個(gè)非常重要作用是箝位。

所謂箝位，就是指在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的某個(gè)或者某幾個(gè)模態(tài)時(shí)間里，將電路中某個(gè)點(diǎn)的電位鉗在一個(gè)固定電壓。這個(gè)固定電壓可能來源于電壓源，也可能來源于某個(gè)電容（在開關(guān)周期里其兩端電壓幾乎可以認(rèn)為是直流）或者其他容性元件。

為什么箝位能夠形成呢，同樣是因?yàn)槎O管的單向?qū)щ娦浴．?dāng)二極管陽極的電壓上升到比陰極電壓高0.7V時(shí)，二極管就能導(dǎo)通。在二極管流通電流的過程中，如果陰極連接的是電壓源類型的器件，那么二極管的陽極電壓就會(huì)被箝位在這個(gè)電壓源電壓加0.7V。

可見，形成箝位有兩個(gè)條件：第一個(gè)是陽極電壓高于陰極電壓0.7V；第二個(gè)是二極管中有電流流通。

我們之前的專題中提到過，零電壓開通（ZVS）是需要二極管進(jìn)行電平箝位的，將開關(guān)管的Vce電壓或者Vds電壓箝位到零，這就是一種典型箝位。

幾年前，商用小功率電路拓?fù)渲饕褂玫氖莻鹘y(tǒng)的準(zhǔn)諧振反激（QR- Flyback）。在這些小功率領(lǐng)域，很多一線和二線的半導(dǎo)體芯片廠商都有了比較成熟的方案，例如TI，OnSemi，通嘉，立琦，昂寶等。

我們知道，可以通過提高電路運(yùn)行的開關(guān)頻率來減小電感電容等儲(chǔ)能元件的體積。但傳統(tǒng)的QRFlyback的高頻表現(xiàn)主要被開關(guān)管損耗發(fā)熱限制，所以體積很難再優(yōu)化，目前僅有少部分整機(jī)廠商可利用QR-Flyback把適配器體積縮小到極致（可參考聯(lián)想的口紅電源系列）。

為了實(shí)現(xiàn)高頻化，目前市場上有部分手機(jī)筆記本的小型化電源適配器產(chǎn)品，采用了有源箝位的反激電路（Active Clamped Flyback,ACF)結(jié)構(gòu)。

說起ACF，不得不提到另外一個(gè)拓?fù)洌性大槲徽ぃˋctive Clamped Forward），兩種拓?fù)涠伎梢院喎QACF。

這兩種箝位技術(shù)的設(shè)計(jì)初衷，都是想依靠輔管進(jìn)行箝位，以回饋能量的方式取代傳統(tǒng)正激電路或者反激電路里用到的RCD吸收，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輔管的ZVS，提高效率 。

但帶來的問題是，雖然實(shí)現(xiàn)了輔管的ZVS，但是主管的ZVS并不一定能實(shí)現(xiàn)，主要取決于主管開通時(shí)與主管結(jié)電容諧振的元件能量是否足夠。

實(shí)際上有源箝位反激電路早在1994年就被提出，但由于其主管在開通前，勵(lì)磁電感被輸出電容箝位，開關(guān)管結(jié)電容電壓諧振下降是依靠原邊漏感的能量，所以只有在重載時(shí)才具備ZVS條件，難以全范圍實(shí)現(xiàn)ZVS（特別是在高壓輕載），同時(shí)副邊的二極管強(qiáng)制關(guān)斷，對效率并沒有明顯的改善，因此沒有被業(yè)界接受。

在上圖的例子中，我們可以看到，在主管的關(guān)斷過程中，輔管的二極管實(shí)現(xiàn)了能量的回饋，通過箝位減小了主管的電壓尖峰，優(yōu)化了效率（綠色框）。但是在主管的開通模態(tài)，輸出側(cè)的二極管的箝位作用卻是負(fù)面的，它使得勵(lì)磁電感被輸出電壓源“短路”，諧振能量的來源只能是漏感（紅色框）。

現(xiàn)有的ACF反激，不再依靠漏感實(shí)現(xiàn)主管的ZVS，而是等漏感與結(jié)電容諧振完成，副邊的二極管電流諧振到零自然關(guān)斷后，原副邊脫開，輸出電容不再箝位勵(lì)磁電感時(shí)，箝位解除，之后依靠勵(lì)磁電感的能量實(shí)現(xiàn)主管的ZVS。實(shí)現(xiàn)原邊ZVS的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了副邊二極管的ZCS，大大提高了效率。

近幾年，隨著IC技術(shù)的進(jìn)步以及用戶對小體積充電體驗(yàn)需求的增強(qiáng)，ACF電路已逐漸從實(shí)驗(yàn)室走到了產(chǎn)業(yè)界。

兩年前，TI率先推出了小功率45W有源箝位反激電源的控制器UCC28780。通過控制原邊箝位電容的電荷，調(diào)整輔管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)整主管開通前的Ip電流，也就是實(shí)時(shí)地調(diào)整了諧振能量的大小，使得主管在各種輸入電壓條件下都能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS，其關(guān)鍵波形如下圖。

今年小米推出的一款65W的適配器，同樣也是基于有源箝位反激電路拓?fù)涞模⑶医Y(jié)合了目前先進(jìn)的GaN半導(dǎo)體技術(shù)，將充電頭的體積足足縮小了一倍。下圖左邊為小米10 pro手機(jī)的GaN充電頭，其芯片由Navitas公司提供（輔管NV6115，主管NV6117），采用Power IC 將功率管與控制電路進(jìn)行合封，開關(guān)頻率可以推到近MHz。

例3

前面兩個(gè)例子中我們提到的都是二極管配合電感的例子，接下來我們舉一個(gè)配合電容的例子--整流。

整流橋大家一定都比較熟悉。工程上把整流橋稱為橋堆，一般是由四個(gè)二極管合封而成。整流橋后接大電解電容，就形成了一個(gè)典型的整流網(wǎng)絡(luò)。很多用電器的輸入側(cè)就是橋堆加電解電容，將220V的工頻交流電壓整流成310V的直流。

事實(shí)上，電力電子線路中的拓?fù)渲械谋粍?dòng)整流結(jié)構(gòu)主要分為三大類。

第一類是半波整流 。如下圖，可以再分為電壓源型負(fù)載和電流源型負(fù)載。

下圖中左邊的電路中D為整流二極管，當(dāng)AC電壓源的電壓為正（上正下負(fù)）時(shí)，二極管導(dǎo)通，大電容C兩端的電壓即為AC電壓源的正電壓。當(dāng)AC電壓源為負(fù)（下正上負(fù)）時(shí)，二極管截止。電容C只接受了AC電壓正半周的電壓，所以稱為半波整流。這里的AC電壓源，可以是變壓器的副邊繞組，其輸出的電壓可以是高頻方波，也可以是工頻220V市電。

右邊的電路中D1為整流管，D2為續(xù)流管。由于大電感L的存在，輸出(紅色框）可以看做是一個(gè)電流源。經(jīng)過整流和續(xù)流后，電流源同樣只獲得了AC電壓源正半周的電壓波形，同樣是半波整流。

第二類是全波整流 。左邊是電壓源型負(fù)載，當(dāng)AC電壓為負(fù)時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，繼續(xù)對負(fù)載供電。電容C獲得的是整個(gè)周期的AC電壓波形，故稱為全波整流。（圖中缺少一個(gè)AC電源，圖片無法訂正。）

右邊是電流源型負(fù)載。與電流源型負(fù)載半波整流相比，全波整流去掉了一個(gè)續(xù)流二極管，大家知道這是為什么嗎？

第三類是全橋整流 。這個(gè)結(jié)構(gòu)大家是熟悉的，無論是輸入側(cè)的工頻整流，還是輸出側(cè)的高頻整流，都可以見到全橋整流結(jié)構(gòu)的身影。同樣有電壓源型負(fù)載和電流源型負(fù)載，這里我們就不再畫出來了。

我們再介紹最后一種整流電路，倍壓整流電路。

顧名思義，倍壓即是將電壓成倍增加，那么如何實(shí)現(xiàn)呢？

如下圖，我們假設(shè)輸入AC電壓是幅值為V1的對稱方波，則當(dāng)AC在正半周時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，C1的電壓為V1,當(dāng)AC電壓在負(fù)半周時(shí)，D1截止，D2導(dǎo)通，C2的電壓為V1。這樣，電阻兩端的電壓為兩倍的V1，從而實(shí)現(xiàn)了倍壓。

增加電容的和二極管的個(gè)數(shù)，還可以構(gòu)成三倍壓，四倍壓電路，感興趣的讀者可以自行探索。關(guān)于倍壓電路，是為了降低器件的應(yīng)力而設(shè)計(jì)的，因此一定需要注意兩個(gè)電容的均壓問題。在實(shí)際應(yīng)用中，倍壓電路使用也非常廣泛，例如我們的家用微波爐中，為了產(chǎn)生4000V的高壓，輸出側(cè)整流就采用了倍壓電路。再例如某些工廠的靜電除塵設(shè)備，需要產(chǎn)生高壓，變壓器副邊同樣也使用了倍壓整流。

以上我們就討論了功率電路中二極管的三個(gè)主要應(yīng)用：續(xù)流，箝位，整流。

接下來我們再來看二極管在控制電路中的應(yīng)用。

例4

二極管的單向?qū)щ娦裕浅＿m合來實(shí)現(xiàn)選通功能。

很多芯片都有帶有保護(hù)引腳，當(dāng)檢測到這個(gè)引腳的電平為低或者為高時(shí)，芯片形成保護(hù)機(jī)制，停止輸出。

實(shí)際的電路系統(tǒng)中，會(huì)有非常多的保護(hù)功能需要實(shí)現(xiàn)，如過壓保護(hù)，過流保護(hù)，過溫保護(hù)，但是一些模擬芯片的保護(hù)引腳卻非常有限。

這時(shí)我們就可以采用共陰極（高電平保護(hù)）或者共陽極（低電平保護(hù)）的連接方式，來擴(kuò)充這個(gè)引腳的保護(hù)功能。

這些故障往往不能同時(shí)發(fā)生，即使同時(shí)發(fā)生，信號傳輸速度也不一定相同，所以可以認(rèn)為同一時(shí)刻只有一顆二極管導(dǎo)通。

另一種選通是功能型選通，例如在開關(guān)電源里，對于輸出往往存在兩種環(huán)路控制，第一種是電壓環(huán)路控制，第二種是電流環(huán)路控制，分別用于輸出電壓閉環(huán)和輸出電流閉環(huán)（限流降功率），同樣可以將上圖中的共陰極或者共陽極二極管連接到芯片的反饋引腳，在另一極接相應(yīng)的環(huán)路。

例5

單向?qū)щ娞匦酝瑯涌梢宰尪O管在模擬電路中實(shí)現(xiàn)一些時(shí)序邏輯。

最典型的例子就是輔助電的啟動(dòng)。我們知道，開關(guān)電源的主電路功率器件驅(qū)動(dòng)的開通需要IC的信號，而IC的供電則是來源于輔助電。

對于某些兩級式的電路拓?fù)洌谝恍O限工況下，為了提高系統(tǒng)的效率，后級正常運(yùn)行后可以使用后級電路的輔助電給前級供電。這時(shí)便可以使用二極管實(shí)現(xiàn)。

值得注意的是，這樣的結(jié)構(gòu)前后兩級的輔助電必須共地。同時(shí)，后級的輔助電電壓必須比前級的高0.7V。

例6

二極管在調(diào)理電路中有一個(gè)非常重要的作用，就是用來做保護(hù)的鎖死。比如某些電源，要求過溫保護(hù)后需要將保護(hù)鎖死，不再發(fā)驅(qū)動(dòng)。即使溫度降到正常，也不會(huì)恢復(fù)。只能通過重啟電源恢復(fù)。

這樣的功能可以用集成比較器搭配二極管實(shí)現(xiàn)。

保護(hù)前，B點(diǎn)電壓為Vb=Vref*R2/(R1+R2),A 點(diǎn)電壓為檢測到的主電路電壓Vi。當(dāng)Vi高于Vb，比較器輸出Vo由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平（忽略內(nèi)部OC三極管壓降可以認(rèn)為是零），保護(hù)觸發(fā)。

此時(shí)，Vo被拉至地，二極管D導(dǎo)通，C點(diǎn)電位為0.7V，可以將C點(diǎn)的電壓看做0.7V的電壓源，根據(jù)疊加定理，可以計(jì)算得到此時(shí)B點(diǎn)的電平。一般來說用于鎖死的正反饋線路中的R3取值較小甚至直接短路，B點(diǎn)的電位一般在0.7V左右。如果Vi始終達(dá)不到0.7V，那么保護(hù)就一直在，輸出一直是低電平，這樣就形成了一個(gè)正反饋，用于保護(hù)的鎖死。

例7

二極管和電容組合的整流特性，決定了它們還能形成峰值檢測電路。

某些場合，我們需要采樣輸入交流電壓的峰值，可以采用下圖中檢峰電路。Vin是整流后的饅頭波，經(jīng)過分壓后達(dá)到A點(diǎn)。B點(diǎn)與二極管陰極連接。一開始，電容C2兩端電壓為零，Vo為零，B點(diǎn)電位為零，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，比較器OC輸出，VCC通過二極管和R3給C2充電。C2容值較大，A點(diǎn)電壓上升速度比B點(diǎn)快。

經(jīng)歷幾個(gè)周期后（具體幾個(gè)周期由R3,C2的時(shí)間常數(shù)決定），AB兩點(diǎn)電壓同時(shí)達(dá)到峰值，見下圖。當(dāng)A點(diǎn)電壓達(dá)到峰值并開始下降時(shí)，B點(diǎn)電壓高于了A點(diǎn)電壓，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。但電容C2的電壓放電慢，一個(gè)工頻周期可以認(rèn)為不變化，一直維持在A點(diǎn)的峰值電壓處。因此這樣的結(jié)構(gòu)可以用來做檢峰電路。

例8

二極管導(dǎo)通時(shí)的低阻抗特性（相對），可以用來做驅(qū)動(dòng)加速。如下圖，MOSFET等功率器件的驅(qū)動(dòng)都需要一定的電流，圖中DRH為芯片發(fā)出的驅(qū)動(dòng)，VGH連接的功率器件的門極。可以看到，器件開通時(shí)，電流從DRH流向VGH，電流可以走兩條支路，R2支路和R4支路。關(guān)斷時(shí)電流從VGH到DRH，則只能走R4這一條支路。因此開通時(shí)等效的驅(qū)動(dòng)電阻要比2.7ohm小，開通比關(guān)斷快。

例9

最后一點(diǎn)就是控制電路的中的箝位（或者稱為限幅）作用了。典型的例子是，在一些MCU的IO引腳，經(jīng)常使用一些BAV99，就是為了防止芯片引腳電壓過高，二極管的作用就是將尖峰箝位在電壓的正負(fù)軌+-0.7V以保護(hù)芯片。