开个新坑,记录下新能源方面的学习过程;
能源是人类永恒的需求,人类的进化史就是一部能源的利用史,从林中的人类学会了使用火,从此成为地球的主宰;第一次工业革命诞生了蒸汽机,从此工厂的效率大大提升;第二次工业革命诞生了内燃机,从此人类开始了星辰大海的征途;此后百年,再难突破,唯一的希望,在于半导体芯片技术。
谈到芯片大家第一反应是计算机和手机里面的CPU和存储器;其实相比在信息产业;芯片在能源产业的重要程度一点也不逊色,百年未有之大变局,能源结构,能源安全,首当其冲;而能源芯片(功率半导体)正逐步走向舞台中央。
对现代社会来说,能源中最重要的是电能,对电能的制造和利用决定了一个国家的上限;但是对于电本身,是没那么好驾驭的,电的使用条件极其苛刻,直流电有大小,而交流电则既有大小,还有方向(正负)。想要随心所欲控制电能,谈何容易。
如图,不管是方波,正弦波,三角波,都是交流电,特点是方向周期性改变,而直流电则是方向不变,如何进行转化?
为了简单理解,我们先从直流转方波入手;
定义电流从左到右为正,t=0秒开始我们闭合开关S2和S3,断开S1和S4,如图,我们看到,电流从电池的正级出发,沿着S2→负载→S3回到负极;那么负载上就流过正向的电流;
如果在t=1秒时我们断开S2和S3,闭合S1和S4,会发生什么?
这时电流依然从电池正极出发,首选遇到S2,不过S2是断开的,此路不通,S4是闭合的,那么电流只能从S4走,走过S4,发现S3也是断开的,又只能走负载和S1回到负极。此时流过负载的电流是从右到左,方向和之前正好相反,是负值。
然后在t=2s时再断开S1和S4,闭合S2和S3,t=3s时再断开S2和S3,闭合S1和S4。。。
聪明的你已经猜到了,此时负载上的电流就是一个方波,周期为2s,一半时间为正,一半时间为负。
好的,方波我们实现了,那如何实现比较复杂的正弦波呢?
这里需要介绍脉宽调制技术(PWM:pulse width modulation)
这里利用了等效的工程思想,只要在每段足够小的时间内,等效方波的电流效果和正弦波是相同的,那么最终对负载而言,那都是正弦波。
如何等效呢?从上图我们发现,核心思想就是调节每一段方波脉冲的宽度(就是控制每一段开通和关断的持续时间)。
通过精密的计算,我们巧妙低控制每一段脉冲的宽度(时长),让正弦波一开始的时刻,脉冲宽度小一些,关断时间长一些,随着正弦波接近波峰,我们把开通时间放长一些,随着正弦波再次降下来,我们再把方波的脉宽调短一些,这样,通过控制方波的脉宽,我们实现了对正弦波的等效;
图中蓝色线为等效的正弦波,可以看到还是有锯齿,如果把每一段再划分得密一些,比如1s内发出10万个脉冲,每个脉冲宽度都按照对应正弦波的位置来调整,那么可以得到与正弦曲线几乎完美对应的效果。
好了现在只剩下一个问题了,怎么实现?举的例子里面是1s变一次方向,要知道我们一般家用电器都是50Hz,也就是一秒变50次方向,每0.02s变一次方向,而且在每个0.02s内的值都是连续变化的,怎么用来实现呢?总不能用手不停地拨开关吧?
这个时候我们的功率半导体芯片出场了,最典型的是功率MOSFET,它的作用就是一个电子开关!
如图,开关S1,S2,S3,S4被替换成了4个MOSFET芯片,MOSFET有个特点,就是它的开通关断是受到栅极控制的,因此,只需要提前编号制定的程序控制栅极,那么就能控制开关顺序,从而实现不同脉宽的方波信号,最终实现对正弦波的等效。
当然MOSFET还有一个特点,就是开关频率可以做到特别快,能做到MHz的水平,也就是说1s内开关几百万次以上!试想一下,如此精细微小的脉冲宽度,最终作用在负载上的的效果几乎就和原始的正弦波没啥区别了!
以上就是直流电(DC)转交流电(AC)的基本原理,本质上是通过开关的顺序来完成电流方向的改变,通过开关的闭合时间和断开时间来实现单个脉冲宽度的控制,许许多多宽度不一的脉冲,对时间进行平均等效,就得到了正弦波的效果。
审核编辑:汤梓红
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原文标题:新能源学习笔记01:逆变器是如何将直流电(DC)转变成交流电(AC)的?
文章出处:【微信号:dldzjsyyy,微信公众号:电力电子技术与应用】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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