世界上有两种电

     

��一种是交流电，

它的方向一会儿正一会儿负

     

��一种是直流电，

它的方向从来不变

   

我们家里插座里的电

就是交流电

   

电池发出的电

就是直流电

有时候，我们需要把交流电转换成直流电，比如手机充电器，

   

有时候，我们需要把直流电转换成交流电，比如数据中心的不间断电源，

   

有时候，我们需要把直流电的电压升高或降低，手机里就有很多升压电路

   

有时候，我们需要改变交流电的频率和幅值，比如变频空调、变频冰箱。

     

这些电流交直直交高高低低变换的艺术，

就是电力电子学。

在电力电子学的舞台上

Slay全场的，正是我们功率器件天团，

它们包括但不限于：二极管，MOSFET，IGBT，HEMT，IGCT，GTR…

   

它们的名字你可能熟悉也可能不熟悉

但它们的作用只有一个：

导通，或者关断电流。

     

对，就是一个电子开关，

和我们家里墙上的开关也没什么本质不同。

有的功率器件有两个端子，比如二极管

   

封装好的二极管

   

二极管的电路符号

它是一个单向车道

   

电流从阳极向阴极

流畅通无阻

   

从阴极向阳极流

便是此路不通

因为二极管只有两个端子，所以它的开通和关断是无法自己控制的，电流来了就得收，走了也无法留。

而有的功率器件有三个端子，它们是可控功率器件，不管面对多大的电流，也可以大声的说出我不要。

而可控功率器件天团里的[敏感词]能力者，

非IGBT莫属。

IGBT是一个超级电子开关，它能耐受超高电压。

我们家中插座里的市电交流电电压是220V，而薄如纸张的IGBT芯片能承受的电压[敏感词]可达6500V。我们一般家庭里家用电器全部开启[敏感词]电流也不会超过30A，而一颗指甲盖大小的IGBT芯片就能流过约200A的电流!

下图是安装在基板上的4个IGBT芯片和4个二极管芯片。

   

但是，像这样裸露的芯片是不能直接用的。我们需要把芯片再封装到一个外壳里面，外壳中再填充绝缘的材料，把芯片的电极引到外端子上，就形成了能够使用的IGBT产品。

   

有的外壳里只有一颗IGBT芯片，有的可能会十几颗，二十几颗芯片。于是，就形成了各种各样的IGBT单管和模块。单管封装的IGBT的[敏感词]电流在100A左右，IGBT模块的[敏感词]额定电流可以达到3600A！

   

单管

   

模块

电路图中的IGBT我们一般用下图来表示，G表示门极gate，它用来接收指令。C表示集电极collector，E表示发射极emitter，集电极和发射极用来导通电流。平时IGBT是截止的，一旦门极接收到一个开通指令，电流就会源源不断地从集电极到发射极之间流过。

   

 

就好比你家里墙上的开关，按一下，开关闭合，电灯亮起；再按一下，电灯熄灭

   

当然，操作IGBT，不再是手，而是电子脉冲。

高电平来临时，器件开通；低电平来临时，器件就关断

   

手动操作开关，可能一秒钟一两次，而我们的电子开关，一秒钟可以开关上万次，几十万次！

这就是我们需要电子开关，

也就是功率器件的原因。

当若干个功率器件组合在一起，它们就可以出道了，这些组合的名字，叫“拓扑”。每个拓扑，都有自己的独门绝技。

4个或6个二极管组成的拓扑，可以把交流电转换成直流电；

   

单相整流桥

   

三相整流桥

4个或6个IGBT或MOSFET组成的拓扑，可以把直流电转换成交流电；

   

全桥逆变电路

   

三相桥逆变电路

IGBT以及二极管再加上其它被动元件的拓扑，可以把直流电电压升高或降低。

   

升压电路

   

降压电路

拓扑好像有点复杂？

没关系，我们可以给他们设计一些logo

����

   

整流电路

   

逆变电路

   

升/降压电路

不论多么复杂多么庞大的用电设备，都是由这些基本的拓扑和元件组成的。

很多时候，在同一个设备中，电能都会经过不止一次变换，比如电动汽车的充电桩。

   

手机充电器的输出电压一般为5V，而你知道电动汽车的电池电压有多高吗？[敏感词]可达750V！

给电池充电只能是直流电，而三相工业电网中流动的是380V交流电（不同于家用电网的220V交流电），那么充电桩是怎么把380V的交流电变成750V的直流电的呢？

首先380V的交流电会经过一个整流电路，变成约500V的直流电。这时的直流电一来电压不够高，二来电压不能调节，所以还不能直接供给电池充电。

整流得到的直流电进入一个逆变电路，逆变电路就是我们之前介绍过的IGBT，或者MOSFET组成的拓扑。IGBT或MOSFET在门极信号的控制下高速开关，把直流电变成频率极高的交流电。这个交流电是方波，通过调整高电平的占比，就能自如的调节等效电压啦。

   

高频交流电再进入一个整流电路，最终变成250V~750V的输出电压，给汽车充电。

整个电能变换的拓扑如下图：

   

看着有些复杂，但换成标志就简单了，就是整流电路+逆变电路+整流电路，像这样：

   

看，电力电子系统就这么简单，像搭积木把所有的功能搭在一起就可以了，现在你也可以来搭建属于你自己的系统了！

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