电力电子技术简介

电力电子在当今的技术中发挥着重要作用，能源管理变得极为重要。除了安全之外，提高所有设备的效率也是保护环境的责任。

本课程将以简单易懂的方式涵盖广泛的主题。它将包括各种技术解释、数学概念、图表和电子模拟。

介绍

电流是电荷在导电空间中的有序运动和位移。

后者通常由铜、银、铝或金等金属制成。

一个端子和另一个端子之间存在任何电位差都会导致这种运动(电压)。如果电路两端的电位相等，则电子会因热搅动而无序地向各个方向移动。

在这种情况下，它们的运动没有热效应，它们的行为类似于池塘中的静水。另一方面，如果将充电电池连接在两个极端之间，则电子的运动会变得有序，因为在电路中会产生电位差。电子以极快的速度组织有序地移动以恢复系统中的平衡，从负极到正极，从一个原子到另一个原子，就像管内水的强制流动一样。按照惯例，使用电流的方向，从正极到负极。电流最重要的特性之一是通过一定时间空间的量。即在一定时间间隔内通过导体的电子数量。在国际体系中，电流的测量单位是安培。根据以下公式，1 A 相当于通过大约 6.28 × 10导线中每秒18 个电子：

当电流流过导体时，会产生热量，因为每个导体都会对电流产生一定的阻力。耗散(和未使用)的功率必须通过出色的冷却系统进行处理，这些系统通常笨重、笨重且昂贵。了解电流安培数非常重要，因为流入导体的安培数越多，产生的热量就越多(参见图 1)。您可以通过触摸坚固的电气设备(例如电烤箱或洗衣机)的电缆来体验这种加热效果。热量产生的测量使您可以适当地确定电线的尺寸和截面，以避免在导体无法承受传输中的电流量时过热甚至发生火灾。图 1 显示了两个电导体。底部有几个电子穿过，它的工作温度很低。顶部有许多电子穿过，其工作温度非常高。在这种情况下，设计人员必须立即进行干预以修改电路或以不同方式确定连接系统的尺寸。

图 1：电子在导体中的通过会产生与其数量成正比的热量。

电力电子

电力电子系统的基本特征之一是它们以非常高的能量效率运行。如果连接所有量的数学概念没有得到很好的理解，就无法谈论电流、电压、功率和电阻。欧姆定律将电路运行中涉及的所有电气参数结合在一起，因此不可能忽略作为电气元件计算和选型基础的公式。

欧姆定律是描述介入电路的基本量之间关系的公式;即电路中的电压、电流、电阻和功率。电力电子学是通用电子学的一个领域，研究电流大于 5-10 A 时的电流管理方法。换句话说，如果你想设计一个小型放大器来处理几毫安的微弱电流，你不需要不需要电力电子设备。相反，如果您需要设计一种能够提供 20 至 30A 电流的电源，那么电力电子设备就会发挥作用。

图 2 显示了两个基本电气图。左边的一个与 15 个 LED 的照明系统相关，通过直接连接到 230-VAC 家庭电网。尽管该系统在相当高的电压下运行，但它不是电源电路，因为只有几毫安的电流通过它。相反，右边的电路是大功率方案，因为它是指在低压下工作时可以提供20 A电流的电源。

图 2：低功率(左)和高功率(右)接线图

电力电子的概念已经发展，如今它与与电力转换、其控制和相对效率相关的技术相关联。该部门还与适合能源转换的所有电气和电子系统密切相关。在电力电子中进行的电路研究主要集中在效率上。能源是一种非常宝贵的资源，必须以尽可能最便宜的方式使用。正是由于这个原因，必须尽量减少电子设备中的散热和功率损耗。换句话说，从设备的输入端传递到输出端的能量不应该减少和减少。电力电子系统的应用越来越多，跨越不同的领域。DC/DC、AC/DC 和 AC/AC 转换器、不间断电源、电池充电器和电源只是功率因数校正和绝缘概念发挥作用的一些示例。在企业、工厂甚至家庭中，有许多设备会吸收大量能量。它们必须以最佳方式设计，以确保极高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超过政府和当局为获得认证而规定的规格。电力电子的目的是节省电力，降低运营成本并提高电气系统的安全性。它们必须以最佳方式设计，以确保极高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超过政府和当局为获得认证而规定的规格。电力电子的目的是节省电力，降低运营成本并提高电气系统的安全性。它们必须以最佳方式设计，以确保极高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超过政府和当局为获得认证而规定的规格。电力电子的目的是节省电力，降低运营成本并提高电气系统的安全性。

电路效率

在电力电子领域，效率为 99.9% 的设备能够使用所有可用能源而不会造成浪费。

另一方面，效率为 45% 的设备能够使用发电机吸收的不到一半的功率，其余的则在未使用的热量中损失掉。在某些应用中，设备需要产生热量，例如厨房烤箱和加热器。在大多数应用中，有效利用能源是一个关键因素。超过 95% 的效率会带来出色的结果，但现代设备可以实现更高的效率。电路的效率越高，浪费的能量就越少，这会导致热量散发并降低电子元件的平均寿命。为了最小化能量损失，电源电路中的电子设备和组件被用作电子开关，在开关和高频模式下，以最小化功耗。对于非常高功率的转换器，可持续性。效率可以很容易地用输出功率除以输入功率的百分比来计算。计算电路效率的基本公式如下：

效率高，电子元件工作更好，散热更少，可靠性和安全性更高。图 3 中的图表显示了新材料如何提高器件效率。显然，这是一个不排除对未来新发现的任何技术影响的统计数据。今天的研究集中在可以减少组件体积和重量的新技术上，这是一个重要因素，尤其是在汽车、航天和医疗领域。未来几年将至关重要，随着解决方案越来越接近完美，公司当然会采取越来越小的步骤。技术一直在寻找对电子具有最低电阻的材料。只有这样才能获得更高效、更可靠的系统。

图 3：随着时间的推移，逆变器的预测平均效率

结论

如引言所述，电流是有组织的电子流。对于 10-mA 和 80-A 电流，此通道是相同的。只有参与流动的电子数量会发生变化，就像塑料管中的水一样。然而，结果却大相径庭。如前所述，低电流和高电流电路之间的限制相当窄，大约为 5-10 A。由于最近的材料技术进步，今天的电力电子设备非常高效。GaN和 SiC毫无疑问，在提高电导率以及操作和开关速度方面，都为该行业的改善做出了重大贡献。与石墨烯一起，它们为能源消耗优化做出了重大贡献。创新应用于各个领域，电力电子将在不久的将来发挥举足轻重的作用。

审核编辑：汤梓红