整流二极管是电力电子学领域最基础也是最核心的元件之一，其工作原理植根于半导体物理中的PN结特性，而其应用则广泛覆盖了几乎所有将交流电（AC）转换为直流电（DC）的电源系统。从最简单的电源适配器到复杂的工业电源和能源转换设备，二极管的单向导电性是实现这一基本转换功能的基础。深入理解其微观机制和宏观拓扑结构，对于电力系统设计至关重要。
PN结是所有半导体二极管的根本。它由P型半导体（富含空穴）和N型半导体（富含自由电子）材料紧密接触形成。在两者交界面上，由于载流子浓度的差异，电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区。这种扩散运动在交界面形成一个电荷耗尽区，留下固定的带电离子：N区一侧为正离子，P区一侧为负离子。这个耗尽区内部形成的内建电场阻止了进一步的扩散，从而形成了二极管的单向导电性。当外部电压施加时，PN结的特性决定了二极管的工作状态。如果外部电压使P区电位高于N区电位（正向偏置），外部电场削弱了内建电场，耗尽区变窄，使得多数载流子能够跨越PN结形成大电流，器件呈现低阻态，即“导通”状态。反之，如果外部电压使N区电位高于P区电位，外部电场加强了内建电场，耗尽区变宽，几乎没有电流流过，器件呈现高阻态，即“截止”状态。整流，即是利用二极管的这种单向导电特性，允许交流电在一个半周期内流过，而在另一个半周期内阻止其流过。
在整流电路中，最基础的拓扑结构是半波整流电路。在这种电路中，一个单独的二极管串联在交流电源和负载之间。当交流电的正半周到来时，二极管处于正向偏置而导通，电流流向负载；而当交流电的负半周到来时，二极管处于反向偏置而截止，电流被阻止。这种拓扑的优点在于结构简单、成本最低。然而，它的缺点也非常明显：它只利用了交流电周期的一半，这意味着能量转换效率较低，并且输出的直流电压脉动大，需要较大的滤波元件来平滑。此外，由于电源只在一个半周期内向负载供电，变压器的磁芯只在一个方向上被磁化，容易产生磁偏和直流饱和问题。
为了克服半波整流的缺陷，全波整流拓扑应运而生。全波整流的目标是利用交流电的两个半周期，从而提高效率并减小输出脉动。全波整流主要有两种实现方式：中心抽头全波整流和桥式全波整流。中心抽头全波整流需要一个带有中心抽头绕组的变压器和两个二极管。变压器次级绕组的中心点接地或接公共端，两个二极管分别接在次级绕组的两端。在交流电的一个半周期内，次级绕组的一端相对于中心抽头为正，该侧的二极管导通；而在另一个半周期内，次级绕组的另一端相对于中心抽头为正，另一侧的二极管导通。无论哪个半周期，电流都是从二极管流向负载，从而在负载上得到完整的两个半周期的单向脉动电流。这种拓扑结构相较于半波整流，输出功率增加，纹波频率加倍，更容易滤波。然而，它的主要限制在于需要特殊的中心抽头变压器，这增加了成本和体积，并且二极管承受的反向峰值电压是输出峰值电压的两倍，对二极管的耐压要求更高。
更为普遍和高效的全波整流方案是桥式整流电路，通常由四个二极管组成，并集成在一个封装内，即我们常说的整流桥堆。桥式整流电路不需要特殊的中心抽头变压器，可以直接接入标准的交流电源。其工作原理在于：当交流电处于正半周时，桥堆中的一对对角二极管导通，电流流经它们，到达负载，然后返回；当交流电处于负半周时，另一对对角二极管导通，电流以相同的方向流经负载，然后返回。通过这种巧妙的切换方式，交流电的两个半周都被整流成单一方向的脉动电流并馈送到负载。
桥式整流电路的优势显著：它充分利用了变压器绕组，提高了功率效率；其二极管承受的反向峰值电压仅等于输出峰值电压，降低了对二极管耐压的要求；同时，其输出的脉动频率是输入频率的两倍，滤波更为容易。正是这些优点，使得桥式整流成为目前应用最广泛的整流拓扑。对于大功率应用，桥式整流拓扑有时会采用六个二极管甚至更多的拓扑，以实现三相交流电的整流。三相桥式整流利用三组对角二极管，分别负责整流三相电源的波形，其输出的直流电压脉动极小，效率极高，是工业高功率场合的首选。
在实际应用中，二极管的选择不仅仅取决于拓扑结构，还必须考虑其关键参数：正向压降、最大正向电流、反向峰值电压以及反向恢复时间。正向压降决定了器件的导通损耗，直接影响整流器的效率；最大正向电流决定了器件的承载能力；反向峰值电压是器件耐压能力的体现；而反向恢复时间则关系到二极管在高频开关或整流过程中的性能，特别是对于肖特基二极管等高速整流器件来说，其极短的反向恢复时间使其在高频电源中表现优异。从简单的PN结原理到复杂的整流桥堆，整流二极管是电力转换链条中的第一环，其工作原理和拓扑结构虽然基础，却是现代电子设备得以运行的基石。对这些基本拓扑和二极管特性的精确把握，是构建稳定、高效电源系统的先决条件。
