技術(shù)微課堂丨科普篇：揭秘電力電子技術(shù)如何實現(xiàn)電能的變換和控制

上篇我們對電力電子的常見應(yīng)用場景進(jìn)行了簡單介紹，本文接著來揭秘電力電子技術(shù)如何實現(xiàn)電能的變換和控制。為了能讓大家更清楚直觀地理解，文中將對電力變換類型及常用電力變換電路的工作原理進(jìn)行分析介紹。

通常所用的電力有交流（AC）和直流（DC）兩種，交流電主要從公用電網(wǎng)中獲得，直流電主要從蓄電池或干電池中獲得。根據(jù)電源與負(fù)載的電力類型，電力變換分為交流變直流（AC-DC）、直流變交流（DC-AC）、直流變直流（DC-DC）以及交流變交流（AC-AC）四類。那么，它們之間到底是如何變換的呢？

直流-直流變換

直流-直流變換電路的功能是將一種直流電變?yōu)榱硪环N直流電。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)不同，直流-直流變換電路分為非隔離型DC-DC電路以及隔離型DC-DC電路。

非隔離型DC-DC電路主要實現(xiàn)直流的直接變換，又分為升壓（Buck）、降壓（Boost）以及升降壓（Buck-Boost）電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖所示。其中降壓/升壓電路（Buck/Boost）應(yīng)用最為廣泛。

以Boost電路為例，對非隔離型DC-DC電路的工作原理進(jìn)行分析：

首先假設(shè)電路中電容值與電感值很大。當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，同時電容C向負(fù)載R供電，由于電容值很大，所以輸出電壓uo基本保持為恒定值；當(dāng)V處于斷態(tài)時，電源E和電感L共同向電容C充電并向負(fù)載R供電。

Boost電路的輸出波形如圖所示：

隔離型DC-DC電路主要實現(xiàn)直-交-直變換，電路中包含交流環(huán)節(jié)且多采用變壓器進(jìn)行輸入輸出隔離。電路中推挽、反激、移相全橋拓?fù)洹C拓?fù)湟约癓LC拓?fù)?/strong>被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)電源中。

各類隔離型DC-DC變換電路的優(yōu)缺點、功率范圍以及應(yīng)用領(lǐng)域如表所示。

交流-直流變換

交流-直流變換又稱為整流。整流電路按輸入交流的相數(shù)可分為單相整流與多相整流；按照構(gòu)成器件可分為全控整流、半控整流以及不控整流；按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式整流與零式整流。常用的整流電路主要有半波整流電路、全波整流電路、橋式整流電路以及倍壓整流電路。

其基本的電路結(jié)構(gòu)如圖所示：

以單相橋式不控整流電路為例對整流電路的工作原理進(jìn)行分析：

單相橋式不控整流電路由四個整流器件構(gòu)成，其中VD1與VD4構(gòu)成一組橋臂，VD2與VD3構(gòu)成另一組橋臂。

0-t1：輸入電壓正半周，VD1、VD4串聯(lián)承受正向電壓導(dǎo)通，電流經(jīng)VD1- R-VD4流動，輸出電壓按照正弦規(guī)律變化；

t1-t2：輸入電壓負(fù)半周，VD2、VD3串聯(lián)承受正向電壓導(dǎo)通，電流經(jīng)VD3- R-VD2流動，輸出電壓按照正弦規(guī)律變化；

單相橋式不控整流電路的輸出電壓波形如圖所示：

可控整流采用的功率器件均為可控器件，如晶閘管、IGBT等。可控整流電路可以通過開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷來調(diào)節(jié)整流輸出電壓大小。常用的可控整流電路有三相橋式PWM整流電路與Boost-PFC整流電路，其電路結(jié)構(gòu)見下圖。

整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)和應(yīng)用最早的形式之一，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。整流電路的應(yīng)用十分廣泛，例如直流電動機、電鍍電解電源、同步發(fā)電機勵磁、通信系統(tǒng)電源等。

電力電子技術(shù)早期為整流器時代，后期則進(jìn)入逆變器時代，下面讓我們一起來了解逆變變換。

直流-交流變換

與整流相對應(yīng)，直流-交流變換又稱為逆變。當(dāng)交流側(cè)接有電源時（接入電網(wǎng)）為有源逆變，交流側(cè)直接連接負(fù)載時為無源逆變。實際應(yīng)用中，常用的逆變電路為全橋逆變電路，電壓型全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)如圖所示。

0，V1導(dǎo)通而V2關(guān)斷，輸出平均電壓大于零；當(dāng)調(diào)制信號ur<0，V1關(guān)斷而V2導(dǎo)通，輸出平均電壓小于零；當(dāng)ur>uc時，V4導(dǎo)通而V3關(guān)斷；當(dāng)ur

以單相電壓型全橋逆變電路為例對逆變電路的工作原理進(jìn)行分析：

電路中兩個橋臂為方向臂，另兩個橋臂為斬波臂，這里V1、V2為方向臂，V3、V4為斬波臂。當(dāng)調(diào)制信號ur>0，V1導(dǎo)通而V2關(guān)斷，輸出平均電壓大于零；當(dāng)調(diào)制信號ur<0，V1關(guān)斷而V2導(dǎo)通，輸出平均電壓小于零；當(dāng)ur>uc時，V4導(dǎo)通而V3關(guān)斷；當(dāng)ur

電路的輸出電壓波形如圖所示：

逆變電路在電力電子電路中占有十分突出的位置，電路在工作過程中會不斷發(fā)生電流從一個支路向另一個支路的轉(zhuǎn)移，即換流過程。

在實際應(yīng)用中，蓄電池、干電池、太陽能電池等直流電源若需要向交流負(fù)載供電時，就需要逆變電路。此外，交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的電路核心都是逆變電路。

交流-交流變換

交流-交流變換電路可以是對交流電的電壓與電流幅值進(jìn)行變換（交流調(diào)幅），也可以是對交流電的頻率進(jìn)行變換（交流調(diào)頻），還可以是對交流電的相位進(jìn)行變換（交流調(diào)相）。

其中，交流調(diào)幅主要應(yīng)用于變壓器以及異步電機軟起動中。交流調(diào)頻在變頻器中應(yīng)用廣泛，而交流調(diào)相在實際中應(yīng)用較少。交流變頻電路分為直接變頻電路（交流-交流）與間接變頻電路（交流-直流-交流）。直接變頻電路主要用于500kW以上的大功率、低轉(zhuǎn)速的電動機調(diào)速系統(tǒng)中，如鼓風(fēng)機、礦山破碎機以及磨球機等。

經(jīng)過上述的介紹，相信大家對各類電力變換電路的工作原理及應(yīng)用場景有了初步的了解。而在實際應(yīng)用中，各類開關(guān)電源就是電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用場景。按照控制信號不同，開關(guān)電源又可分為模擬電源與數(shù)字電源。其中，數(shù)字電源由于性能好、可靠性高、設(shè)計靈活等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。

那么，到底什么是數(shù)字電源？它和模擬電源又有哪些區(qū)別呢？下節(jié)課，森木磊石會繼續(xù)為大家分享『數(shù)字電源的原理及特點』，帶領(lǐng)大家走進(jìn)神秘的數(shù)字電源世界。