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电路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-直流变换电路的功能是将一种直流电变为另一种直流电。根据电路结构不同，直流-直流变换电路分为非隔离型DC-DC电路以及隔离型DC-DC电路。

非隔离型DC-DC电路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）电路，其电路结构如图所示。其中降压/升压电路（Buck/Boost）应用最为广泛。

以Boost电路为例，对非隔离型DC-DC电路的工作原理进行分析：

首先假设电路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电路的输出波形如图所示：

隔离型DC-DC电路主要实现直-交-直变换，电路中包含交流环节且多采用变压器进行输入输出隔离。电路中推挽、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变换电路的优缺点、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。整流电路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；按电路结构可分为桥式整流与零式整流。常用的整流电路主要有半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路以及倍压整流电路。

其基本的电路结构如图所示：

以单相桥式不控整流电路为例对整流电路的工作原理进行分析：

单相桥式不控整流电路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；

单相桥式不控整流电路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。可控整流电路可以通过开关器件的导通、关断来调节整流输出电压大小。常用的可控整流电路有三相桥式PWM整流电路与Boost-PFC整流电路，其电路结构见下图。

整流电路是电力电子电路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。整流电路的应用十分广泛，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，常用的逆变电路为全桥逆变电路，电压型全桥逆变电路的结构如图所示。

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电路为例对逆变电路的工作原理进行分析：

电路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

电路的输出电压波形如图所示：

逆变电路在电力电子电路中占有十分突出的位置，电路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，就需要逆变电路。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电路核心都是逆变电路。

交流-交流变换

交流-交流变换电路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。交流变频电路分为直接变频电路（交流-交流）与间接变频电路（交流-直流-交流）。直接变频电路主要用于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电路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。