下面介绍基本的二极管电路,帮助了解二极管在电路中的基本作用和工作方式。
1.阻容负载电路
在如图2.7a所示电路中,直流电源 V S 连接开关S 1 和二极管D 1 给负载 R 和 C 供电。设电容 C 的初始电压为0V,且开关S 1 和二极管D 1 为理想器件。在 t =0时,开关S 1 闭合,二极管D 1 正向偏置并导通,依据基尔霍夫电压定律和欧姆定律可得式(2.5)和式(2.6)。
式中, V R 是电阻 R 的电压; V C 是电容 C 的电压; i 是电路中流通的电流。
因为电容电压不能突变,在 t =0时,电容电压为0V,其后电容被充电, V C 随时间增加,如式(2.7)所示。此外,电路电流由初始时刻的最大值逐渐下降,当 V C = V S 时, i =0A,此时,二极管截止。 V C 和 i 的波形如图2.7b所示。
图2.7 二极管阻容负载电路及波形变化示意图
2.阻感负载电路
与图2.7a类似,图2.8a仅将负载由 RC 负载替换为 RL 负载。在S 1 闭合前, RL 负载没有电流流通, R 和 L 的端电压均为零。当 t =0时,开关S 1 闭合,二极管D 1 正向偏置并导通,基于基尔霍夫电压定律可得式(2.8)。由于电感电流不能突变,在 t =0时刻, i =0A, V R =0V, V L = V S 。
图2.8 二极管阻感负载电路及波形变化示意图
随着负载电流增大,电感端电压下降,当 V R = V S 时,负载电流不再增加,保持为 V S /R ,如图2.8b所示。在该电路中二极管将始终维持导通状态。
3.感容负载电路
将图2.8a中的负载替换为电感和电容就得到图2.9a的感容负载电路。设电容 C 的初始电压为0V。在 t =0时刻,开关S 1 闭合,二极管D 1 正向偏置并导通,此时因为电感电流和电容电压均不能突变,所以 V L = V S , V C =0V。其后电感电流 i 和电容电压 V C 均上升。当 V C = V S 时, i 达到最大值,此时 V L =0V。此后,因 V C > V S ,电感承受反向电压,电路中的电流由最大值开始下降,但电容始终在被充电,所以电容电压继续上升。在该电路中,假设没有能量损失(理想二极管和理想开关),LC回路将谐振半个周波,使电容电压达到2 V S ,此时 i =0A,二极管D 1 截止。相应的电感电流和电容电压波形示意图如图2.9b所示。
图2.9 二极管感容载电路及波形变化示意图
4.续流电路
图2.10a显示了一个二极管续流电路。在该电路中,续流二极管D m 与 RL 负载并联连接。当S 1 闭合后,D 1 正向偏置,D m 反向偏置。此时电路可以等效为如图2.10b所示的电路,电路中的电流 i 从0A增加到最大值 V S /R 。其后,若S 1 断开,D 1 反向偏置,D m 正向偏置,此时电路可以等效为如图2.10c所示的电路。可见D m 为电感电流提供了续流通路,保证电感不开路运行。但由于没有外加电压源,电感中存储的能量经D m 续流后最终会全部消耗在电阻 R 上,此时电流降为0A。
图2.10 二极管续流电路及波形变化示意图
上述四种二极管基本电路结构及其工作原理展示了二极管在电力电子电路中的基本作用。