电力电子系统概览

图：电力电子系统及其基本组成
电力电子变换器组成

图：电力电子变换器中的主要器件与功能模块

1. 电力电子变换器的基本概念

电力电子的核心任务，是通过功率半导体开关器件和储能元件，实现电能形式的变换与控制。

变换器通常包含：

  • 功率半导体开关器件
  • 储能元件：电感、电容
  • 必要的控制与驱动电路

笔记｜我的理解
电力电子不是简单地“消耗电压”来得到想要的输出，而是尽量通过开关、电感、电容这些低损耗元件，把能量从一种形式“搬运”到另一种形式。

要点｜关键点
为了避免降低效率，电力电子变换器中应尽量避免使用电阻作为主要变换元件。
因为电阻会直接把电能转化为热能，造成明显的功率损耗。

2. 变换器的分类

按照输入与输出电能形式的不同，电力电子变换器可以分为四类：

类型 名称 功能
AC/DC 整流器 交流变直流
DC/AC 逆变器 直流变交流
DC/DC 直流变换器 直流变直流
AC/AC 交流变换器 交流变交流

笔记｜我的理解
分类的本质就是看输入、输出分别是 AC 还是 DC。只要抓住“电能形式怎么变”，这四类就比较好记。

3. 能量流动方向与变换器类型

能量的流通方向也会影响变换器的类型和工作方式。

变换器能量流动方向

图：不同变换器中的能量流动方向

在实际系统中，电能变换不一定只经过一级，也可以采用多级变换。

多级电能变换

图：多级电能变换结构示意

示例｜多级变换的意义
当一次变换很难直接满足电压等级、隔离、安全性或控制性能要求时，可以把系统拆成多个变换级。
例如先整流，再通过 DC/DC 调压，最后再逆变输出。

4. 例子：9V 电池变换为 3V 直流输出

目标：将 9V 电池输入变换为 3V 直流输出。

这个例子可以帮助理解：为什么实际电力电子系统更倾向于使用开关型变换，而不是简单分压或线性调节。

4.1 方案一：电阻分压

电阻分压方案

图：使用电阻分压获得较低输出电压

电阻分压可以得到较低电压，但存在明显缺点：

  • 效率低，电阻会持续发热损耗能量
  • 负载变化时，输出电压不稳定
  • 输入电压变化时，输出也不容易调节

注意｜注意
电阻分压适合信号电路中的小功率参考电压，不适合作为功率变换方案。

4.2 方案二：三极管线性调节

三极管线性调节方案

图：使用三极管进行线性电压调节

三极管或线性调整器可以实现稳压，但本质上仍然会让多余电压落在调整管上。

因此，当输入为 9V、输出为 3V 时，多余的 6V 会以热的形式消耗掉，效率较低。

笔记｜我的理解
线性调节像是在“削掉多余电压”，输出确实稳定，但功率损耗很大。电压差越大、电流越大，发热越明显。

4.3 方案三：理想开关周期导通与断开

理想开关周期控制

图：理想开关的周期导通与关断

如果使用理想开关，让开关在一个周期内周期性导通和关断，就可以通过调节导通时间来控制平均输出电压。

假设：

  • 输入电压为 $9V$
  • 一个周期为 $T$
  • 开关导通时间为 $\frac{T}{3}$
  • 开关关断时间为 $\frac{2T}{3}$

则输出电压的平均值为：

$$
\operatorname{avg}(v_x)
= V_x
= \frac{1}{T}\int_{0}^{T} v_x(t),dt
= \frac{1}{T}\left(
\int_{0}^{T/3} 9,dt
+
\int_{T/3}^{T} 0,dt
\right)
= 3V
$$

也可以用占空比来理解：

$$
D = \frac{T_{\mathrm{on}}}{T} = \frac{1}{3}
$$

$$
V_x = D V_{\mathrm{in}} = \frac{1}{3}\times 9V = 3V
$$

要点｜关键点
开关型变换器的核心思想是：
通过高速开关控制能量传递的时间比例，再利用电感、电容进行滤波，得到稳定的平均输出。

波形如下：

开关输出波形

图：周期性开关控制形成的输出波形

4.4 最终模型

电力电子变换器模型

图：加入储能元件后的变换器模型

最终模型通常不会只使用一个开关，还需要加入电感、电容等储能元件，使脉动电压或电流变得更加平滑。

小结｜本节总结
电力电子变换器追求的是高效率的电能变换。
电阻分压和线性调节虽然直观，但效率较低；开关型变换器通过控制占空比，并配合储能元件，可以在较高效率下实现电压变换。

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