技术微课堂丨科普篇：揭秘电力电子技术如何实现电能的变换和控制

上篇我们对电力电子的常见应用场景进行了简单介绍，本文接着来揭秘电力电子技术如何实现电能的变换和控制。为了能让大家更清楚直观地理解，文中将对电力变换类型及常用电力变换威廉希尔官方网站 的工作原理进行分析介绍。

通常所用的电力有交流（AC）和直流（DC）两种，交流电主要从公用电网中获得，直流电主要从蓄电池或干电池中获得。根据电源与负载的电力类型，电力变换分为交流变直流（AC-DC）、直流变交流（DC-AC）、直流变直流（DC-DC）以及交流变交流（AC-AC）四类。那么，它们之间到底是如何变换的呢？

直流-直流变换

直流-直流变换威廉希尔官方网站 的功能是将一种直流电变为另一种直流电。根据威廉希尔官方网站 结构不同，直流-直流变换威廉希尔官方网站 分为非隔离型DC-DC威廉希尔官方网站 以及隔离型DC-DC威廉希尔官方网站 。

非隔离型DC-DC威廉希尔官方网站 主要实现直流的直接变换，又分为升压（Buck）、降压（Boost）以及升降压（Buck-Boost）威廉希尔官方网站 ，其威廉希尔官方网站 结构如图所示。其中降压/升压威廉希尔官方网站 （Buck/Boost）应用最为广泛。

以Boost威廉希尔官方网站 为例，对非隔离型DC-DC威廉希尔官方网站 的工作原理进行分析：

首先假设威廉希尔官方网站 中电容值与电感值很大。当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，同时电容C向负载R供电，由于电容值很大，所以输出电压uo基本保持为恒定值；当V处于断态时，电源E和电感L共同向电容C充电并向负载R供电。

Boost威廉希尔官方网站 的输出波形如图所示：

隔离型DC-DC威廉希尔官方网站 主要实现直-交-直变换，威廉希尔官方网站 中包含交流环节且多采用变压器进行输入输出隔离。威廉希尔官方网站 中推挽、反激、移相全桥拓扑、LC拓扑以及LLC拓扑被广泛应用于各类工业电源中。

各类隔离型DC-DC变换威廉希尔官方网站 的优缺点、功率范围以及应用领域如表所示。

交流-直流变换

交流-直流变换又称为整流。整流威廉希尔官方网站 按输入交流的相数可分为单相整流与多相整流；按照构成器件可分为全控整流、半控整流以及不控整流；按威廉希尔官方网站 结构可分为桥式整流与零式整流。常用的整流威廉希尔官方网站 主要有半波整流威廉希尔官方网站 、全波整流威廉希尔官方网站 、桥式整流威廉希尔官方网站 以及倍压整流威廉希尔官方网站 。

其基本的威廉希尔官方网站 结构如图所示：

以单相桥式不控整流威廉希尔官方网站 为例对整流威廉希尔官方网站 的工作原理进行分析：

单相桥式不控整流威廉希尔官方网站 由四个整流器件构成，其中VD1与VD4构成一组桥臂，VD2与VD3构成另一组桥臂。

0-t1：输入电压正半周，VD1、VD4串联承受正向电压导通，电流经VD1- R-VD4流动，输出电压按照正弦规律变化；

t1-t2：输入电压负半周，VD2、VD3串联承受正向电压导通，电流经VD3- R-VD2流动，输出电压按照正弦规律变化；

单相桥式不控整流威廉希尔官方网站 的输出电压波形如图所示：

可控整流采用的功率器件均为可控器件，如晶闸管、IGBT等。可控整流威廉希尔官方网站 可以通过开关器件的导通、关断来调节整流输出电压大小。常用的可控整流威廉希尔官方网站 有三相桥式PWM整流威廉希尔官方网站 与Boost-PFC整流威廉希尔官方网站 ，其威廉希尔官方网站 结构见下图。

整流威廉希尔官方网站 是电力电子威廉希尔官方网站 中出现和应用最早的形式之一，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流威廉希尔官方网站 的应用十分广泛，例如直流电动机、电镀电解电源、同步发电机励磁、通信系统电源等。

电力电子技术早期为整流器时代，后期则进入逆变器时代，下面让我们一起来了解逆变变换。

直流-交流变换

与整流相对应，直流-交流变换又称为逆变。当交流侧接有电源时（接入电网）为有源逆变，交流侧直接连接负载时为无源逆变。实际应用中，常用的逆变威廉希尔官方网站 为全桥逆变威廉希尔官方网站 ，电压型全桥逆变威廉希尔官方网站 的结构如图所示。

0，V1导通而V2关断，输出平均电压大于零；当调制信号ur<0，V1关断而V2导通，输出平均电压小于零；当ur>uc时，V4导通而V3关断；当ur

以单相电压型全桥逆变威廉希尔官方网站 为例对逆变威廉希尔官方网站 的工作原理进行分析：

威廉希尔官方网站 中两个桥臂为方向臂，另两个桥臂为斩波臂，这里V1、V2为方向臂，V3、V4为斩波臂。当调制信号ur>0，V1导通而V2关断，输出平均电压大于零；当调制信号ur<0，V1关断而V2导通，输出平均电压小于零；当ur>uc时，V4导通而V3关断；当ur

威廉希尔官方网站 的输出电压波形如图所示：

逆变威廉希尔官方网站 在电力电子威廉希尔官方网站 中占有十分突出的位置，威廉希尔官方网站 在工作过程中会不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移，即换流过程。

在实际应用中，蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源若需要向交流负载供电时，就需要逆变威廉希尔官方网站 。此外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的威廉希尔官方网站 核心都是逆变威廉希尔官方网站 。

交流-交流变换

交流-交流变换威廉希尔官方网站 可以是对交流电的电压与电流幅值进行变换（交流调幅），也可以是对交流电的频率进行变换（交流调频），还可以是对交流电的相位进行变换（交流调相）。

其中，交流调幅主要应用于变压器以及异步电机软起动中。交流调频在变频器中应用广泛，而交流调相在实际中应用较少。交流变频威廉希尔官方网站 分为直接变频威廉希尔官方网站 （交流-交流）与间接变频威廉希尔官方网站 （交流-直流-交流）。直接变频威廉希尔官方网站 主要用于500kW以上的大功率、低转速的电动机调速系统中，如鼓风机、矿山破碎机以及磨球机等。

经过上述的介绍，相信大家对各类电力变换威廉希尔官方网站 的工作原理及应用场景有了初步的了解。而在实际应用中，各类开关电源就是电力电子技术的主要应用场景。按照控制信号不同，开关电源又可分为模拟电源与数字电源。其中，数字电源由于性能好、可靠性高、设计灵活等优势被广泛应用。

那么，到底什么是数字电源？它和模拟电源又有哪些区别呢？下节课，森木磊石会继续为大家分享『数字电源的原理及特点』，带领大家走进神秘的数字电源世界。