世界上有兩種電

     

??一種是交流電，

它的方向一會兒正一會兒負

     

??一種是直流電，

它的方向從來不變

   

我們家里插座里的電

就是交流電

   

電池發出的電

就是直流電

有時候，我們需要把交流電轉換成直流電，比如手機充電器，

   

有時候，我們需要把直流電轉換成交流電，比如數據中心的不間斷電源，

   

有時候，我們需要把直流電的電壓升高或降低，手機里就有很多升壓電路

   

有時候，我們需要改變交流電的頻率和幅值，比如變頻空調、變頻冰箱。

     

這些電流交直直交高高低低變換的藝術，

就是電力電子學。

在電力電子學的舞臺上

Slay全場的，正是我們功率器件天團，

它們包括但不限于：二極管，MOSFET，IGBT，HEMT，IGCT，GTR…

   

它們的名字你可能熟悉也可能不熟悉

但它們的作用只有一個：

導通，或者關斷電流。

     

對，就是一個電子開關，

和我們家里墻上的開關也沒什么本質不同。

有的功率器件有兩個端子，比如二極管

   

封裝好的二極管

   

二極管的電路符號

它是一個單向車道

   

電流從陽極向陰極

流暢通無阻

   

從陰極向陽極流

便是此路不通

因為二極管只有兩個端子，所以它的開通和關斷是無法自己控制的，電流來了就得收，走了也無法留。

而有的功率器件有三個端子，它們是可控功率器件，不管面對多大的電流，也可以大聲的說出我不要。

而可控功率器件天團里的[敏感詞]能力者，

非IGBT莫屬。

IGBT是一個超級電子開關，它能耐受超高電壓。

我們家中插座里的市電交流電電壓是220V，而薄如紙張的IGBT芯片能承受的電壓[敏感詞]可達6500V。我們一般家庭里家用電器全部開啟[敏感詞]電流也不會超過30A，而一顆指甲蓋大小的IGBT芯片就能流過約200A的電流!

下圖是安裝在基板上的4個IGBT芯片和4個二極管芯片。

   

但是，像這樣裸露的芯片是不能直接用的。我們需要把芯片再封裝到一個外殼里面，外殼中再填充絕緣的材料，把芯片的電極引到外端子上，就形成了能夠使用的IGBT產品。

   

有的外殼里只有一顆IGBT芯片，有的可能會十幾顆，二十幾顆芯片。于是，就形成了各種各樣的IGBT單管和模塊。單管封裝的IGBT的[敏感詞]電流在100A左右，IGBT模塊的[敏感詞]額定電流可以達到3600A！

   

單管

   

模塊

電路圖中的IGBT我們一般用下圖來表示，G表示門極gate，它用來接收指令。C表示集電極collector，E表示發射極emitter，集電極和發射極用來導通電流。平時IGBT是截止的，一旦門極接收到一個開通指令，電流就會源源不斷地從集電極到發射極之間流過。

   

 

就好比你家里墻上的開關，按一下，開關閉合，電燈亮起；再按一下，電燈熄滅

   

當然，操作IGBT，不再是手，而是電子脈沖。

高電平來臨時，器件開通；低電平來臨時，器件就關斷

   

手動操作開關，可能一秒鐘一兩次，而我們的電子開關，一秒鐘可以開關上萬次，幾十萬次！

這就是我們需要電子開關，

也就是功率器件的原因。

當若干個功率器件組合在一起，它們就可以出道了，這些組合的名字，叫“拓撲”。每個拓撲，都有自己的獨門絕技。

4個或6個二極管組成的拓撲，可以把交流電轉換成直流電；

   

單相整流橋

   

三相整流橋

4個或6個IGBT或MOSFET組成的拓撲，可以把直流電轉換成交流電；

   

全橋逆變電路

   

三相橋逆變電路

IGBT以及二極管再加上其它被動元件的拓撲，可以把直流電電壓升高或降低。

   

升壓電路

   

降壓電路

拓撲好像有點復雜？

沒關系，我們可以給他們設計一些logo

????

   

整流電路

   

逆變電路

   

升/降壓電路

不論多么復雜多么龐大的用電設備，都是由這些基本的拓撲和元件組成的。

很多時候，在同一個設備中，電能都會經過不止一次變換，比如電動汽車的充電樁。

   

手機充電器的輸出電壓一般為5V，而你知道電動汽車的電池電壓有多高嗎？[敏感詞]可達750V！

給電池充電只能是直流電，而三相工業電網中流動的是380V交流電（不同于家用電網的220V交流電），那么充電樁是怎么把380V的交流電變成750V的直流電的呢？

首先380V的交流電會經過一個整流電路，變成約500V的直流電。這時的直流電一來電壓不夠高，二來電壓不能調節，所以還不能直接供給電池充電。

整流得到的直流電進入一個逆變電路，逆變電路就是我們之前介紹過的IGBT，或者MOSFET組成的拓撲。IGBT或MOSFET在門極信號的控制下高速開關，把直流電變成頻率極高的交流電。這個交流電是方波，通過調整高電平的占比，就能自如的調節等效電壓啦。

   

高頻交流電再進入一個整流電路，最終變成250V~750V的輸出電壓，給汽車充電。

整個電能變換的拓撲如下圖：

   

看著有些復雜，但換成標志就簡單了，就是整流電路+逆變電路+整流電路，像這樣：

   

看，電力電子系統就這么簡單，像搭積木把所有的功能搭在一起就可以了，現在你也可以來搭建屬于你自己的系統了！

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