在電路中，二極管由于其單向導電特性被廣泛使用。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絡。而二極管作為一種單向導電器件，其開關動作引入了其他頻率分量，造成了電路模型的非線性。

因此在經典的電路理論中很少被討論到。但在實際的工程應用中，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。相關理論和案例的缺失，導致知識與實際應用的脫節，很多初學者只能通過別人的電路經驗去死記硬背，而不會去對應具體的線路圖去分析。 今天我們來幫助初學的讀者打破這種僵局 。

一份電源產品的BOM表中，以D字母開頭的二極管標志占用的篇幅一定不會太少。這是由于電源中需要有大量的開關動作，無論是主電路，還是控制電路，都少不了實時的開關狀態變化。

所以下文中我們從電力電子線路的角度出發，結合不同的應用實例，來理解二極管單向導電特性。后面有機會的話，我們再從半導體結構出發，更深入地講解二極管的物理特性。今天我們側重應用。

所謂內涵，也就是單向導電特性所對應的電壓電流曲線。這條曲線描述的是二極管的伏安特性，是這一類元件（PN結）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。二極管導通時，不考慮PN結壓降，兩端電壓為零，運行軌跡就在i軸的正半軸，電流大小由外部電路決定。二極管截止時，忽略漏電流，運行軌跡就在v軸的負半軸，PN結承受的反壓同樣由外部電路決定。可以看到，二極管具有導通正向電流，阻斷反向電壓的作用。這便是二極管PN結的單向導通特性，也是所有半導體外特性的基礎。

當然，如果考慮到二極管的 實際特性 ，伏安特性曲線就會略有調整。

對于二極管的實際模型，我們需要關心的內容其實很多，一份二極管的datasheet規格書，會貼出二極管的各個指標，這些指標用于二極管的選型。具體datasheet上參數的解釋，我們后面找機會再介紹，今天我們先關注二極管的應用，也就是單向導電性的外延。

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，從技術角度來講，這樣的區分只是一個簡單的不嚴格歸類，是為了方便大家認識電路系統中二極管的應用。實際的二極管有非常多的形式，這需要半導體原廠的專家來總結，這里不做贅述。

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

例1

第一個最典型的應用例子就是電感電流續流，英文稱為freewheeling。在我們公眾號的第一個主題中，有講到過這一點。二級管流通開關管關斷后的感性電流，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，因為電感是儲能元件，其電流不能突變。

那么為什么要通過二極管續流呢？因為二極管這條支路是壓降最低的，我們知道電流的特性是優先選擇低阻抗的回路流通， 當開關管關斷時，開關管在瞬態進入線性區，其等效電阻要遠大于二極管導通時的等效阻抗，因此二極管導通。同理，開關管再次開通時電流就會流向低阻抗的開關管溝道 。

我們常見的Buck電路，Boost電路，Flyback電路，都是利用了這一點。國外的學者把這樣的結構稱為感性三端口開關網絡，如下圖。三個元件的位置可以互換，組成不同形式的網絡，但原理都是二極管完成續流，保證電感能量的連續性。

上圖中兩個坐標圖分別代表了兩個理想的開關器件在導通和截止時的伏安點。

那么，圖中的二極管可以換成其他的主動器件嗎？當然可以，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同步整流資料，這里我們主要關注被動器件--功率二極管。

在二極管續流的過程中，當下一個開關周期到來，二極管就會從導通狀態切換到截止狀態，并且在切換過程中產生反向恢復。可以看到，二極管的開通關斷，完全是被開關管的開關狀態及電感的能量狀態決定的。所以我們把二級管歸類為被動器件（Passive Components)。與被動器件相對應的是主動器件（Active Components)，如MOSFET，IGBT，BJT等，通過控制主動器件的門極驅動可以控制開關管的通斷。

值得注意的是，在功率電路中，我們需要選定某個具體場合的二極管，即二極管選型。這時我們需要關心二極管的電壓電流應力。一般來說，當電路拓撲結構確定下來后，主動器件和被動器件的應力基本就被定下來了（如果不考慮各種工程上的極端工況）。

任何一個主電路功率拓撲，只要明確知道了主動器件和被動器件在各個模態的運行狀態及其物理意義，就可以畫出電路關鍵器件的電壓電流波形。波形可以通過實測得到，也可以通過仿真及理論分析得到，最好是兩者結合。有了波形，就能從數學上直觀地計算出其電壓電流應力，從而就為器件選型提供了依據。

在上圖的Buck電路中，二極管的電壓應力就是輸入電壓，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，二極管另一個非常重要作用是箝位。

所謂箝位，就是指在一個開關周期內的某個或者某幾個模態時間里，將電路中某個點的電位鉗在一個固定電壓。這個固定電壓可能來源于電壓源，也可能來源于某個電容（在開關周期里其兩端電壓幾乎可以認為是直流）或者其他容性元件。

為什么箝位能夠形成呢，同樣是因為二極管的單向導電性。當二極管陽極的電壓上升到比陰極電壓高0.7V時，二極管就能導通。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被箝位在這個電壓源電壓加0.7V。

可見，形成箝位有兩個條件：第一個是陽極電壓高于陰極電壓0.7V；第二個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）是需要二極管進行電平箝位的，將開關管的Vce電壓或者Vds電壓箝位到零，這就是一種典型箝位。

幾年前，商用小功率電路拓撲主要使用的是傳統的準諧振反激（QR- Flyback）。在這些小功率領域，很多一線和二線的半導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行的開關頻率來減小電感電容等儲能元件的體積。但傳統的QRFlyback的高頻表現主要被開關管損耗發熱限制，所以體積很難再優化，目前僅有少部分整機廠商可利用QR-Flyback把適配器體積縮小到極致（可參考聯想的口紅電源系列）。

為了實現高頻化，目前市場上有部分手機筆記本的小型化電源適配器產品，采用了有源箝位的反激電路（Active Clamped Flyback,ACF)結構。

說起ACF，不得不提到另外一個拓撲，有源箝位正激（Active Clamped Forward），兩種拓撲都可以簡稱ACF。

這兩種箝位技術的設計初衷，都是想依靠輔管進行箝位，以回饋能量的方式取代傳統正激電路或者反激電路里用到的RCD吸收，同時實現輔管的ZVS，提高效率 。

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

實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，勵磁電感被輸出電容箝位，開關管結電容電壓諧振下降是依靠原邊漏感的能量，所以只有在重載時才具備ZVS條件，難以全范圍實現ZVS（特別是在高壓輕載），同時副邊的二極管強制關斷，對效率并沒有明顯的改善，因此沒有被業界接受。

在上圖的例子中，我們可以看到，在主管的關斷過程中，輔管的二極管實現了能量的回饋，通過箝位減小了主管的電壓尖峰，優化了效率（綠色框）。但是在主管的開通模態，輸出側的二極管的箝位作用卻是負面的，它使得勵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）。

現有的ACF反激，不再依靠漏感實現主管的ZVS，而是等漏感與結電容諧振完成，副邊的二極管電流諧振到零自然關斷后，原副邊脫開，輸出電容不再箝位勵磁電感時，箝位解除，之后依靠勵磁電感的能量實現主管的ZVS。實現原邊ZVS的同時實現了副邊二極管的ZCS，大大提高了效率。

近幾年，隨著IC技術的進步以及用戶對小體積充電體驗需求的增強，ACF電路已逐漸從實驗室走到了產業界。

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，調整輔管的導通時間，從而調整主管開通前的Ip電流，也就是實時地調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實現ZVS，其關鍵波形如下圖。

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撲的，并且結合了目前先進的GaN半導體技術，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行合封，開關頻率可以推到近MHz。

例3

前面兩個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，一般是由四個二極管合封而成。整流橋后接大電解電容，就形成了一個典型的整流網絡。很多用電器的輸入側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。

事實上，電力電子線路中的拓撲中的被動整流結構主要分為三大類。

第一類是半波整流 。如下圖，可以再分為電壓源型負載和電流源型負載。

下圖中左邊的電路中D為整流二極管，當AC電壓源的電壓為正（上正下負）時，二極管導通，大電容C兩端的電壓即為AC電壓源的正電壓。當AC電壓源為負（下正上負）時，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為續流管。由于大電感L的存在，輸出(紅色框）可以看做是一個電流源。經過整流和續流后，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 。左邊是電壓源型負載，當AC電壓為負時，二極管D2導通，繼續對負載供電。電容C獲得的是整個周期的AC電壓波形，故稱為全波整流。（圖中缺少一個AC電源，圖片無法訂正。）

右邊是電流源型負載。與電流源型負載半波整流相比，全波整流去掉了一個續流二極管，大家知道這是為什么嗎？

第三類是全橋整流 。這個結構大家是熟悉的，無論是輸入側的工頻整流，還是輸出側的高頻整流，都可以見到全橋整流結構的身影。同樣有電壓源型負載和電流源型負載，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，那么如何實現呢？

如下圖，我們假設輸入AC電壓是幅值為V1的對稱方波，則當AC在正半周時，D1導通，D2截止，C1的電壓為V1,當AC電壓在負半周時，D1截止，D2導通，C2的電壓為V1。這樣，電阻兩端的電壓為兩倍的V1，從而實現了倍壓。

增加電容的和二極管的個數，還可以構成三倍壓，四倍壓電路，感興趣的讀者可以自行探索。關于倍壓電路，是為了降低器件的應力而設計的，因此一定需要注意兩個電容的均壓問題。在實際應用中，倍壓電路使用也非常廣泛，例如我們的家用微波爐中，為了產生4000V的高壓，輸出側整流就采用了倍壓電路。再例如某些工廠的靜電除塵設備，需要產生高壓，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主要應用：續流，箝位，整流。

接下來我們再來看二極管在控制電路中的應用。

例4

二極管的單向導電性，非常適合來實現選通功能。

很多芯片都有帶有保護引腳，當檢測到這個引腳的電平為低或者為高時，芯片形成保護機制，停止輸出。

實際的電路系統中，會有非常多的保護功能需要實現，如過壓保護，過流保護，過溫保護，但是一些模擬芯片的保護引腳卻非常有限。

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

這些故障往往不能同時發生，即使同時發生，信號傳輸速度也不一定相同，所以可以認為同一時刻只有一顆二極管導通。

另一種選通是功能型選通，例如在開關電源里，對于輸出往往存在兩種環路控制，第一種是電壓環路控制，第二種是電流環路控制，分別用于輸出電壓閉環和輸出電流閉環（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，在另一極接相應的環路。

例5

單向導電特性同樣可以讓二極管在模擬電路中實現一些時序邏輯。

最典型的例子就是輔助電的啟動。我們知道，開關電源的主電路功率器件驅動的開通需要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撲，在一些極限工況下，為了提高系統的效率，后級正常運行后可以使用后級電路的輔助電給前級供電。這時便可以使用二極管實現。

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

例6

二極管在調理電路中有一個非常重要的作用，就是用來做保護的鎖死。比如某些電源，要求過溫保護后需要將保護鎖死，不再發驅動。即使溫度降到正常，也不會恢復。只能通過重啟電源恢復。

這樣的功能可以用集成比較器搭配二極管實現。

保護前，B點電壓為Vb=Vref*R2/(R1+R2),A 點電壓為檢測到的主電路電壓Vi。當Vi高于Vb，比較器輸出Vo由高電平翻轉為低電平（忽略內部OC三極管壓降可以認為是零），保護觸發。

此時，Vo被拉至地，二極管D導通，C點電位為0.7V，可以將C點的電壓看做0.7V的電壓源，根據疊加定理，可以計算得到此時B點的電平。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點的電位一般在0.7V左右。如果Vi始終達不到0.7V，那么保護就一直在，輸出一直是低電平，這樣就形成了一個正反饋，用于保護的鎖死。

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，經過分壓后達到A點。B點與二極管陰極連接。一開始，電容C2兩端電壓為零，Vo為零，B點電位為零，A點電位高于B點電位，比較器OC輸出，VCC通過二極管和R3給C2充電。C2容值較大，A點電壓上升速度比B點快。

經歷幾個周期后（具體幾個周期由R3,C2的時間常數決定），AB兩點電壓同時達到峰值，見下圖。當A點電壓達到峰值并開始下降時，B點電壓高于了A點電壓，二極管處于截止狀態。但電容C2的電壓放電慢，一個工頻周期可以認為不變化，一直維持在A點的峰值電壓處。因此這樣的結構可以用來做檢峰電路。

例8

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

例9

最后一點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軌+-0.7V以保護芯片。