世界上有兩種電

　　??一種是交流電，

　　它的方向一會兒正一會兒負

　　??一種是直流電，

　　它的方向從來不變

　　我們家里插座里的電就是交流電

　　電池發(fā)出的電就是直流電

　　有時候，我們需要把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，比如手機充電器，

　　有時候，我們需要把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，比如數(shù)據(jù)中心的不間斷電源，

　　有時候，我們需要把直流電的電壓升高或降低，手機里就有很多升壓電路

　　有時候，我們需要改變交流電的頻率和幅值，比如變頻空調(diào)、變頻冰箱。

　　這些電流交直直交高高低低變換的藝術(shù)，就是電力電子學(xué)。

　　在電力電子學(xué)的舞臺上Slay全場的，正是我們功率器件天團，它們包括但不限于：二極管，MOSFET，IGBT，HEMT，IGCT，GTR…

　　它們的名字你可能熟悉也可能不熟悉，但它們的作用只有一個：導(dǎo)通，或者關(guān)斷電流。

　　對，就是一個電子開關(guān)，和我們家里墻上的開關(guān)也沒什么本質(zhì)不同。

　　有的功率器件有兩個端子，比如二極管

             封裝好的二極管                         二極管的電路符號

　　它是一個單向車道

　　電流從陽極向陰極流暢通無阻             從陰極向陽極流便是此路不通

　　因為二極管只有兩個端子，所以它的開通和關(guān)斷是無法自己控制的，電流來了就得收，走了也無法留。

　　而有的功率器件有三個端子，它們是可控功率器件，不管面對多大的電流，也可以大聲的說出我不要。

　　而可控功率器件天團里的絕對能力者，非IGBT莫屬。

　　IGBT是一個超級電子開關(guān)，它能耐受超高電壓。

　　我們家中插座里的市電交流電電壓是220V，而薄如紙張的IGBT芯片能承受的電壓最高可達6500V。我們一般家庭里家用電器全部開啟最大電流也不會超過30A，而一顆指甲蓋大小的IGBT芯片就能流過約200A的電流!

　　下圖是安裝在基板上的4個IGBT芯片和4個二極管芯片。

　　但是，像這樣裸露的芯片是不能直接用的。我們需要把芯片再封裝到一個外殼里面，外殼中再填充絕緣的材料，把芯片的電極引到外端子上，就形成了能夠使用的IGBT產(chǎn)品。

　　有的外殼里只有一顆IGBT芯片，有的可能會十幾顆，二十幾顆芯片。于是，就形成了各種各樣的IGBT單管和模塊。單管封裝的IGBT的最大電流在100A左右，IGBT模塊的最大額定電流可以達到3600A!

                                                                     單管                                                             模塊　

　　電路圖中的IGBT我們一般用下圖來表示，G表示門極gate，它用來接收指令。C表示集電極collector，E表示發(fā)射極emitter，集電極和發(fā)射極用來導(dǎo)通電流。平時IGBT是截止的，一旦門極接收到一個開通指令，電流就會源源不斷地從集電極到發(fā)射極之間流過。

　　就好比你家里墻上的開關(guān)，按一下，開關(guān)閉合，電燈亮起;再按一下，電燈熄滅。

　　當然，操作IGBT，不再是手，而是電子脈沖。

　　高電平來臨時，器件開通;低電平來臨時，器件就關(guān)斷

　　手動操作開關(guān)，可能一秒鐘一兩次，而我們的電子開關(guān)，一秒鐘可以開關(guān)上萬次，幾十萬次!

　　這就是我們需要電子開關(guān)，也就是功率器件的原因。

　　當若干個功率器件組合在一起，它們就可以出道了，這些組合的名字，叫“拓撲”。每個拓撲，都有自己的獨門絕技。

　　4個或6個二極管組成的拓撲，可以把交流電轉(zhuǎn)換成直流電;

　　                                                              單相整流橋                             三相整流橋 

　　4個或6個IGBT或MOSFET組成的拓撲，可以把直流電轉(zhuǎn)換成交流電;

                                         全橋逆變電路                                                             三相橋逆變電路 　

　　IGBT以及二極管再加上其它被動元件的拓撲，可以把直流電電壓升高或降低。

                                                                        升壓電路                                      降壓電路

　　拓撲好像有點復(fù)雜?

　　沒關(guān)系，我們可以給他們設(shè)計一些logo

　　                                       整流電路                                       逆變電路                                 升/降壓電路　

　　不論多么復(fù)雜多么龐大的用電設(shè)備，都是由這些基本的拓撲和元件組成的。

　　很多時候，在同一個設(shè)備中，電能都會經(jīng)過不止一次變換，比如電動汽車的充電樁。

　　手機充電器的輸出電壓一般為5V，而你知道電動汽車的電池電壓有多高嗎?最高可達750V!

　　給電池充電只能是直流電，而三相工業(yè)電網(wǎng)中流動的是380V交流電(不同于家用電網(wǎng)的220V交流電)，那么充電樁是怎么把380V的交流電變成750V的直流電的呢?

　　首先380V的交流電會經(jīng)過一個整流電路，變成約500V的直流電。這時的直流電一來電壓不夠高，二來電壓不能調(diào)節(jié)，所以還不能直接供給電池充電。

　　整流得到的直流電進入一個逆變電路，逆變電路就是我們之前介紹過的IGBT，或者MOSFET組成的拓撲。IGBT或MOSFET在門極信號的控制下高速開關(guān)，把直流電變成頻率極高的交流電。這個交流電是方波，通過調(diào)整高電平的占比，就能自如的調(diào)節(jié)等效電壓啦。

　　高頻交流電再進入一個整流電路，最終變成250V~750V的輸出電壓，給汽車充電。

　　整個電能變換的拓撲如下圖：

　　看著有些復(fù)雜，但換成標志就簡單了，就是整流電路+逆變電路+整流電路，像這樣：

　　看，電力電子系統(tǒng)就這么簡單，像搭積木把所有的功能搭在一起就可以了，現(xiàn)在你也可以來搭建屬于你自己的系統(tǒng)

　　一個小小的充電樁里，電就經(jīng)過了交流-直流-交流-直流這樣復(fù)雜的變換歷程。其實，在我們身邊的用電設(shè)備里，小到手機、電腦，大到電動大巴、高鐵;從觸手可及的冰箱、電視，到你看不見的工廠流水線，電能，都會經(jīng)歷千回百轉(zhuǎn)的變化。這其中電能變換的藝術(shù)，就是電力電子學(xué)。從一縷陽光或一陣微風(fēng)，到高壓輸電線上幾萬伏的高壓，再到手機充電器輸出的5V電壓，這就是電能的浪漫旅程。