電力電子在當今的技術(shù)中發(fā)揮著重要作用，能源管理變得極為重要。除了安全之外，提高所有設(shè)備的效率也是保護環(huán)境的責(zé)任。

本課程將以簡單易懂的方式涵蓋廣泛的主題。它將包括各種技術(shù)解釋、數(shù)學(xué)概念、圖表和電子模擬。

介紹

電流是電荷在導(dǎo)電空間中的有序運動和位移。

后者通常由銅、銀、鋁或金等金屬制成。

一個端子和另一個端子之間存在任何電位差都會導(dǎo)致這種運動(電壓)。如果電路兩端的電位相等，則電子會因熱攪動而無序地向各個方向移動。

在這種情況下，它們的運動沒有熱效應(yīng)，它們的行為類似于池塘中的靜水。另一方面，如果將充電電池連接在兩個極端之間，則電子的運動會變得有序，因為在電路中會產(chǎn)生電位差。電子以極快的速度組織有序地移動以恢復(fù)系統(tǒng)中的平衡，從負極到正極，從一個原子到另一個原子，就像管內(nèi)水的強制流動一樣。按照慣例，使用電流的方向，從正極到負極。電流最重要的特性之一是通過一定時間空間的量。即在一定時間間隔內(nèi)通過導(dǎo)體的電子數(shù)量。在國際體系中，電流的測量單位是安培。根據(jù)以下公式，1 A 相當于通過大約 6.28 × 10導(dǎo)線中每秒18 個電子：

當電流流過導(dǎo)體時，會產(chǎn)生熱量，因為每個導(dǎo)體都會對電流產(chǎn)生一定的阻力。耗散(和未使用)的功率必須通過出色的冷卻系統(tǒng)進行處理，這些系統(tǒng)通常笨重、笨重且昂貴。了解電流安培數(shù)非常重要，因為流入導(dǎo)體的安培數(shù)越多，產(chǎn)生的熱量就越多(參見圖 1)。您可以通過觸摸堅固的電氣設(shè)備(例如電烤箱或洗衣機)的電纜來體驗這種加熱效果。熱量產(chǎn)生的測量使您可以適當?shù)卮_定電線的尺寸和截面，以避免在導(dǎo)體無法承受傳輸中的電流量時過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。圖 1 顯示了兩個電導(dǎo)體。底部有幾個電子穿過，它的工作溫度很低。頂部有許多電子穿過，其工作溫度非常高。在這種情況下，設(shè)計人員必須立即進行干預(yù)以修改電路或以不同方式確定連接系統(tǒng)的尺寸。

圖 1：電子在導(dǎo)體中的通過會產(chǎn)生與其數(shù)量成正比的熱量。

電力電子

電力電子系統(tǒng)的基本特征之一是它們以非常高的能量效率運行。如果連接所有量的數(shù)學(xué)概念沒有得到很好的理解，就無法談?wù)撾娏?、電壓、功率?a target="_blank">電阻。歐姆定律將電路運行中涉及的所有電氣參數(shù)結(jié)合在一起，因此不可能忽略作為電氣元件計算和選型基礎(chǔ)的公式。

歐姆定律是描述介入電路的基本量之間關(guān)系的公式;即電路中的電壓、電流、電阻和功率。電力電子學(xué)是通用電子學(xué)的一個領(lǐng)域，研究電流大于 5-10 A 時的電流管理方法。換句話說，如果你想設(shè)計一個小型放大器來處理幾毫安的微弱電流，你不需要不需要電力電子設(shè)備。相反，如果您需要設(shè)計一種能夠提供 20 至 30A 電流的電源，那么電力電子設(shè)備就會發(fā)揮作用。

圖 2 顯示了兩個基本電氣圖。左邊的一個與 15 個 LED 的照明系統(tǒng)相關(guān)，通過直接連接到 230-VAC 家庭電網(wǎng)。盡管該系統(tǒng)在相當高的電壓下運行，但它不是電源電路，因為只有幾毫安的電流通過它。相反，右邊的電路是大功率方案，因為它是指在低壓下工作時可以提供20 A電流的電源。

圖 2：低功率(左)和高功率(右)接線圖

電力電子的概念已經(jīng)發(fā)展，如今它與與電力轉(zhuǎn)換、其控制和相對效率相關(guān)的技術(shù)相關(guān)聯(lián)。該部門還與適合能源轉(zhuǎn)換的所有電氣和電子系統(tǒng)密切相關(guān)。在電力電子中進行的電路研究主要集中在效率上。能源是一種非常寶貴的資源，必須以盡可能最便宜的方式使用。正是由于這個原因，必須盡量減少電子設(shè)備中的散熱和功率損耗。換句話說，從設(shè)備的輸入端傳遞到輸出端的能量不應(yīng)該減少和減少。電力電子系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，跨越不同的領(lǐng)域。DC/DC、AC/DC 和 AC/AC 轉(zhuǎn)換器、不間斷電源、電池充電器和電源只是功率因數(shù)校正和絕緣概念發(fā)揮作用的一些示例。在企業(yè)、工廠甚至家庭中，有許多設(shè)備會吸收大量能量。它們必須以最佳方式設(shè)計，以確保極高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超過政府和當局為獲得認證而規(guī)定的規(guī)格。電力電子的目的是節(jié)省電力，降低運營成本并提高電氣系統(tǒng)的安全性。它們必須以最佳方式設(shè)計，以確保極高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超過政府和當局為獲得認證而規(guī)定的規(guī)格。電力電子的目的是節(jié)省電力，降低運營成本并提高電氣系統(tǒng)的安全性。它們必須以最佳方式設(shè)計，以確保極高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超過政府和當局為獲得認證而規(guī)定的規(guī)格。電力電子的目的是節(jié)省電力，降低運營成本并提高電氣系統(tǒng)的安全性。

電路效率

在電力電子領(lǐng)域，效率為 99.9% 的設(shè)備能夠使用所有可用能源而不會造成浪費。

另一方面，效率為 45% 的設(shè)備能夠使用發(fā)電機吸收的不到一半的功率，其余的則在未使用的熱量中損失掉。在某些應(yīng)用中，設(shè)備需要產(chǎn)生熱量，例如廚房烤箱和加熱器。在大多數(shù)應(yīng)用中，有效利用能源是一個關(guān)鍵因素。超過 95% 的效率會帶來出色的結(jié)果，但現(xiàn)代設(shè)備可以實現(xiàn)更高的效率。電路的效率越高，浪費的能量就越少，這會導(dǎo)致熱量散發(fā)并降低電子元件的平均壽命。為了最小化能量損失，電源電路中的電子設(shè)備和組件被用作電子開關(guān)，在開關(guān)和高頻模式下，以最小化功耗。對于非常高功率的轉(zhuǎn)換器，可持續(xù)性。效率可以很容易地用輸出功率除以輸入功率的百分比來計算。計算電路效率的基本公式如下：

效率高，電子元件工作更好，散熱更少，可靠性和安全性更高。圖 3 中的圖表顯示了新材料如何提高器件效率。顯然，這是一個不排除對未來新發(fā)現(xiàn)的任何技術(shù)影響的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。今天的研究集中在可以減少組件體積和重量的新技術(shù)上，這是一個重要因素，尤其是在汽車、航天和醫(yī)療領(lǐng)域。未來幾年將至關(guān)重要，隨著解決方案越來越接近完美，公司當然會采取越來越小的步驟。技術(shù)一直在尋找對電子具有最低電阻的材料。只有這樣才能獲得更高效、更可靠的系統(tǒng)。

圖 3：隨著時間的推移，逆變器的預(yù)測平均效率

結(jié)論

如引言所述，電流是有組織的電子流。對于 10-mA 和 80-A 電流，此通道是相同的。只有參與流動的電子數(shù)量會發(fā)生變化，就像塑料管中的水一樣。然而，結(jié)果卻大相徑庭。如前所述，低電流和高電流電路之間的限制相當窄，大約為 5-10 A。由于最近的材料技術(shù)進步，今天的電力電子設(shè)備非常高效。GaN和 SiC毫無疑問，在提高電導(dǎo)率以及操作和開關(guān)速度方面，都為該行業(yè)的改善做出了重大貢獻。與石墨烯一起，它們?yōu)槟茉聪膬?yōu)化做出了重大貢獻。創(chuàng)新應(yīng)用于各個領(lǐng)域，電力電子將在不久的將來發(fā)揮舉足輕重的作用。

審核編輯：湯梓紅