02电力电子技术简介

电力电子技术简介

第一章主要是做通识性的介绍，介绍电力电子涉及的基本概念、学习方法和关联学科。最重要的是希望大家能理解电力电子在现实生活中的广泛应用。这一章简介主要分三部分来介绍。首先是概要性的通盘介绍。然后会通过力电子技术性的内容来了解一些拓扑上的原理，尤其是跟生活中的水流作类比，希望把生活中的场景带入到比较严谨的工程科学当中。第三部分涉及电力电子变换器的应用，其中包括很多现实中的生活场景。

1. 简要介绍

这是一个电力电子象征性的框图，我们可以暂时认为方框中的电路是一个黑箱。它要处理能量从输入到输出的变化，在处理这样一个能连变换的过程中，我们需要涉及哪些元件呢？包括晶体管、以磁场作为储能媒介的电感或者变压器、以电场作为储能媒介的电容。我们需要去控制晶体管，使能量呈现一个可编辑的状态，最后通过电容电感的滤波功能达到输入到输出的变化。

这个过程可能很抽象，具体来看的话，电无非只有交流或者直流这两种形式，无论从输入侧看还是从输出侧看，我们只有直流或交流两种状态。通过简单的数学计算可知，一共可能有2X2=4种变化，大家用这种方法学习和记忆电路也很容易。这样比较符合逻辑的分类到底有哪些呢？

输入和输出都是直流的话，我们叫它直流-直流变化。直流电从物理学的角度来看，它只有一个量纲，就是幅值，也就是电压的幅值，除此之外就没有其他变量了。因此直流变换主要是呈现电压的变化。

第二类是交流到直流的变化，输入侧是交流电，输出侧是直流电这类变化在生活中很常见。220V的市电就是交流电，但是插上手机充电器之后，供给手机的是直流电，这个过程中一定会有整流这一类电路。这个过程中我们要打交道的交流部分会发现交流电多了一个量纲，除了幅值以外还要处理频率的问题，比如市电是50Hz。

第三类变化是把第二类变化反过来，输入侧是直流，输出侧是交流，这类变化我们称作逆变。逆变的应用场景也很常见，能量从电网到达用户手中是整流的过程，光伏发电、太阳能发电等场景是需要把能量送给电网的，这个过程就需要把直流变成交流。这个过程同样要控制输出侧交流电的幅值和频率。

最后一类是交流-交流变换，这个过程既需要改变幅值也需要改变频率。

很多教材都是逐个讨论这四类变化的，开头讲功率器件，接下来针对每一类拓扑进行独立讨论。对于有工科背景的同志来说，这样有针对性的单独学习某一章会觉得比较容易上手。但是这样的学习方法是一开始学得快，但是无法把握很多经典的、有共同性的知识。如果能仔细阅读推荐教材《Fundamentals of power electronics》的话，会发现这本书通篇没有针对某一类变化做单独的讨论，而是大篇幅地在讲直流到直流的变化。

哪怕四种变化的输入输出形式不同，但是其中的过程有很多共通的部分，只有把握好其中的共通之处，才能更好地学习不同类型的拓扑，做到触类旁通。

在这之前都是以能量类型来做的讨论，忽略了其中还有很重要的控制信号。这些控制信号需要嵌入式系统知识的支撑。我们通过嵌入式系统产生对应的控制量取控制晶体管。

1.1 控制

这个是整个系统的控制框图，分为红色跟蓝色两部分。当我们使用电力电子变换器时，本质上是利用红色部分里面的功率元件、磁性元件和容性元件通过开关控制实现输入到输出的编辑。

它很像自动控制原理中经典的控制框图，它有前馈，也有反馈，有参考信号，也有控制信号。从控制的角度来讲，红色部分是被控对象，我们会在输出侧进行采样，后送入对应于自动控制原理中补偿器的控制器。补偿器经常用来设计线性系统，可以设计它的PID、极零点的分布。当我们要理解一个控制器的被控对象的时候，我们需要去了解它的传递函数。从这个角度来看，电力电子技术的重点集中在红色部分。其中我们需要去了解最基本的变换拓扑有哪些，比如BUCK电路。

经典的电路使用的元件通常是较少的，这些电路一般来说可以被描述为简单的一阶线性方程。很多电路都用到了PWM变换器（PWM全称pulse width modulation，也就是脉冲宽度调制），这是电力电子技术的重点，它涵盖了最基本最经典的一些变换器的拓扑。

其中还有一些其他的拓扑，比如说当元件发生谐振的时候，可以利用谐振实现能量的滤波，从而达到能量的转化。当使用谐振技术的时候又会设计其他类型的拓扑，这些拓扑可以分为谐振变换器、准谐振变换器、多谐振变换器以及软开关PWM变换器。这些拓扑会在另一门技术上系统介绍。

回头再看整个系统，其中除了主功率部分，还有控制部分。对于控制部分学习的目标是理解被控对象的数学模型。我们可以把被控对象抽象成传递函数，就像在线性系统中一样。当我们对线性系统中的传递函数有了充分认识之后，我们就知道该如何设计控制器（补偿器）。这部分知识会在另一门技术上系统介绍。

1.2 技术指标

$\eta =\frac{P_{out}}{P_{in}}$

$P_{loss}=P_{in}-P_{out}$

• 高效率导致变换器内部功率损耗小
• 因此，体积小、运行可靠是可行的
• 效率是衡量变换器性能的一个很好的指标

我们来看一下电力电子变换器的主要指标。效率的定义数学表达式是比较容易理解的，输出功率与输入功率之比。由此可知，损耗就是输入到输出过程中损失的那一部分功率。我们单独看一下电力电子电路拓扑中功率是如何在功率器件、电感和电容等部分流失的。以下列出的损耗需要我们重点关注，当然还会存在其他损耗，但那不在讨论之列。

1.2.1 功率器件上的损耗

从功率器件来说，它的第一部分损耗叫做导通损耗。导通损耗比较容易理解，当有电流流过功率器件时，会产生一些热能损耗，这部分热能损耗可以用$I^{2}R$来表征。

第二部分是开关损耗，是MOS管等受控器件特有的。当它经历从开到关，或从关到开的过程时，虽然耗时不多，但是会发生电压与电流同时存在的状态。那么电压与电流在做积分之后，就能计算出开关损耗的值。

第三部分损耗是驱动损耗，它是功率器件所特有的。我们驱动功率器件时，需要通过外部的信号来控制它的开与关，这个过程是需要额外能量的。

1.2.2 电感上的损耗

研究磁性元件的损耗时主要关注它的铜损和铁损，分别由导体和铁芯产生。

其实磁性元件就是由导体绕制而成的，导体同样会产生热能损耗，这就是铜损。

磁性元件的导体往往是绕在一个磁芯上面，当电流流过导体时会在磁芯上产生磁通量，由此会产生对应的磁滞损耗，这就是铁损。

1.2.3 电容上的损耗

电容上面也会产生导通损耗，它与功率器件上的导通损耗的概念相同。因为电容上面会产生一个寄生电阻，当能量流经电容时，寄生电阻上面会产生热能损耗。

1.3 电流与水流的类比

要想理解电流，需要先理解水流。水有流速，也有水压，水压越强，流速就越快。同样，电有电压，也有电流，电压越高，电流就越大。

我们看上图的阀门，有了它我们就能控制水流。电力电子技术中也有与之对应的“阀门”，也就是电子开关。当阀门关上时，水会停住，水的动能就损耗掉了。同时，水在管道中流动，会与管壁发生摩擦，一部分能量就转化为热能就损耗掉了。同样，对应到电路中，水流与管壁的摩擦对应了导通损耗，水停住损失动能对应了开关损耗。

1.4 提高效率的目的

我们的总体目标是通过应用电力电子技术，使能量转换更加的高效。
目前我们一直在讨论效率相关的概念，提高效率可以减少不必要的消耗，达到节能环保的效果。能量转换中损耗的能量多以热能的形式出现，提高转换器的效率可以降低它的发热，从而有可能缩小其体积。所以，在有体积限制的场景下，只有能量转换器的效率足够高，才有可能完成目标功能。

1.5 主电路部分避免使用损耗型器件

晶体管分成两种工作区间，一种是线性工作区间（三极管），一种是开关工作区间（MOS管）。线性工作区间的晶体管在模拟电路中涉及较多，比如信号放大等。开关工作区间的MOS管在工作时只呈现出通和断两种状态。

三极管和电阻一样不适合出现在主功率部分。电阻因其直接产生损耗的特性而不适合出现在主功率部分。三极管的主要作用是对信号的编辑，而不是对功率的编辑。它需要系统呈现于偏置的状态，其基极需要电流存在，而源极需要电压存在。电流乘电压会得到偏置的损耗，这样的损耗在大功率场景下是不可接受的，只有在天线等信号场景下才能被接受。

而在控制电路部分是需要处理信号的，是需要三极管和电阻等器件的。

1.6 开关模型

电力电子技术中最经典的就是电力电子开关。它从一端流到另一端的电流叫做器件的导通电流，两端的电压叫做截止电压。理想状态下，当开关断开的时候，其两端可以有电压存在，而流过的电流为0；当开关闭合的时候，电流是可以通过的，而两端的电压为0。在这两种状态下，电压与电流总有一个为0，所以它上面的电流与电压的乘积为0，即功率为0。

2. 电力电子转换器

2.1 一个简单的DC/DC转换器例子

输入：100V，输出负载：50V，10A，500W。该怎么实现这个转换器？

我们可以用一个经典的实例来分析一下。现在我们有一个100V的直流输入，如何在5Ω的阻性负载上获得50V的输出呢？我们给定了输出负载和输出负载上的电压，不难得到所需的电流为$I_o=\frac{V_o}{R}=\frac{50V}{5\Omega }=10A$。

2.1.1 最简单的实现方案

我们应用高中物理的知识就可以解决这个问题了。第一个最简单的方案就是串联一个变阻器。当我们调节变阻器的时候，不难发现变阻器与输出负载会形成阻性的分压，变阻器的阻值越大，分到的电压就越多。只要让变阻器的阻值等于输出负载的阻值，我们发现输出电阻上正好得到了50V的电压。通过损耗分析，很容易发现变阻器是一个损耗型的器件，它上面也流过了10A的电流。

变阻器上的损耗有两种计算方式，第一种是$P_{loss}=I^2\times R=10A^2\times 5\Omega =500W$，这样的计算方法很简单，但是并不是一般解。我们希望找到一般解，也就是第二种方法。一个器件上的损耗等于这个器件两端的电压乘上流经这个器件的电流。使用这样的方法可以计算出任何器件上的损耗功率，我们可以把那部分电路看作是一个黑箱。我们知道输出电阻分得50V电压，而输入为100V，自然得出黑箱分得了50V的电压。而输出侧的电流是由负载决定的，所以黑箱与负载是串联的关系，因此可以得到$P_{loss}=V\times I=50V\times 10A=500W$。

通过计算，最终得到的结论是使用滑动变阻器来实现的方案是十分低效的。现实中很少用到这样的设计，除非设计的目的就是发热，比如电暖气和电热毯。我们在之前讲到过，我们不会将损耗型的器件放到主功率电路部分。

2.1.2 使另一种损耗型器件三极管的实现

前面说了，我们避免在主功率电路中使用电阻或者线性器件。这第二种实现就使用了线性器件。

其原理就是通过一个小的控制信号，去控制主功率电路的通断。假设其中的三极管能有1000倍的电流增益，那么想要负载得到10A的电流，就需要10mA的电流加在三极管的基极上。然后通过采集信号作为反馈与控制信号作比较。

这样三极管的源极与射极之间仍然有50V的压降，仍然有10A的电流流过三极管。这跟开关模型是完全不一样的，开关模型不允许开关上同时存在电压与电流。在三极管的线性状态下，电压与电流同时存在，因此损耗还是500W。而现实中很难找到能承受500W功率的三极管。

这种实现也有它的应用场景，它的优点很明显，成本低、噪声小，但是效率低。很多的LDO（低压差线性稳压器）就使用了类似的方式实现。LDO的效率很容易计算，就是$\eta =\frac{V_{out}}{V_{in}}$，因为电流永远流过这条支路，它与负载是串联关系。如果LDO的输入为16V，输出为5V，那么它的效率就是31.25%。如果同时电流较大的话，我们会发现LDO的发热量会很大，摸上去会烫手。在给小功率芯片供电等场景下，可以使用LDO。

2.2 模拟or数字

我们再次回到水流的概念，我们看到图中有两中类型的阀门。第一类阀门是模拟型的，它的取值有无数种，可以从0-1连续变化，很像日常生活中的水龙头。第二类阀门是数字型的，它只有0（完全关闭）或1（完全打开）两种取值，日常生活中见不到这种阀门，但这里要假设它存在。

如果我们想让水流减半的话，该怎么做呢？对于图中左侧的模拟阀门来说，只需要将阀门调节到$\frac{1}{2}$的位置即可，而且输出侧始终都有水流存在。

对于右侧的数字开关该怎么办呢？我们只能让数字阀门开一段时间再关一段时间。如果想要让一天内的水流量减半，数字阀门可以先关12个小时，再开12个小时。这样勉强达到了目标，但是输出侧却并不总是有水流出，想要使用水时就可能得不到水流。

怎样控制数字阀门才能使输出侧有不间断的减半的水流呢？我们可以在数字阀门后面加一个蓄水池，这样能够保证输出侧始终有水流输出。当阀门打开时，蓄水池储存水；当阀门关闭时，蓄水池释放水。

蓄水池的大小与阀门单次开启的时间有关系，单次开启时间越长，所需的蓄水池就越大。如果输出侧水流大小恒定，那么阀门开启时间与关闭时间的比值也会恒定，那么开关越快，所需的蓄水池就越小。

蓄水池也对应电力电子变换器中的一部分，阀门对应开关模型中的开关，蓄水池就对应储能元件，也就是电容和电感。

2.3 开关的应用

为了实现前面的类似于数字阀门的状态，电力电子技术中使用的是开关。图中是一个单刀双掷开关，要么上面导通，要么下面导通。现在还是要解决从100V到50V的问题，现在不使用电阻和三极管。我们可以设定开关处于两种状态的时间各占一半。我们记录开关节点电压$v_s$，就得到了图中的曲线。当开关打到1时，$v_s=100V$；当开关打到2时，$v_s=0V$。在还没有加入储能元件时，我们看到$v_s$的曲线是一个方波。

我们把开关打到1时所占的时间与一个周期之比叫做占空比D。一个开关周期为$T_s$。开关频率为$f_s=\frac{1}{T_s}$。D是在0-1之间的可以调节的量，当D为1时，意味着开关永远打到1的位置；当D为0时，意味着开关永远打到0的位置。调整D的值，就可以调整方波的宽度。这就是PWM变换器，pulse width modulation。

图中的虚线是最终的目标50V。$v_s(t)$的直流分量=平均值，严格的数学求解为：$V_s=\frac{1}{T_s}{\int }_0^{T_s}{v}_s(t)dt=D{V}_{in}$，用面积相等的几何思想更好理解。

现在虽然已经得到在数学上等价的50V输出电压了，但是蓝色曲线却并不平滑。想让曲线变得平滑，就需要使用“蓄水池”，也就是储能元件了。

2.4 加入低通滤波器

我们添加一个（理想无损）LC低通滤波器作为“蓄水池”，用于去除开关谐波。这里需要使滤波器截止频率$f_0$远小于开关频率$f_s$。这种电路被称为“buck变换器”。

LC低通滤波器可以起到缓冲的效果，同时电容两端的电压是不能突变的，这样可以保证输出电压的纹波较小。当这样的滤波器被加入到电路中后，可以使方波变平滑。想要让输出变得更加平滑，就需要增大“蓄水池”，增加电感和电容的值。

但是电感和电容需要存储能量，所以它们的体积是很大的，就像是想要装更多的水就需要更大的水桶一样。通常受到产品体积的限制，没有办法无限制地增加电感和电容的值。而晶体管等半导体功率器件是集成度比较高的，它不存储能量，只做能量的切换，所以它的体积较小，远远比不上电感和电容，就像阀门的体积远远小于蓄水池一样。所以想要减小产品的体积就需要想办法减少电感和电容等无源器件。

2.5 可控系统图解

了解完电源部分，我们再看控制部分。上图包含了功率器件MOS管，已经不再是单刀双掷开关了，但实现的效果是一样的。

一个完整的可控系统一定是要有回路的，对于这套控制系统而言，控制目标是使输出电压达到50V，那就需要使用采样电路对输出电压进行采集。采样电路得到的结果与参考值进行比较，获得误差作为负反馈。然后经过补偿器，这个补偿器往往是PID控制器。PID控制器从数学角度决定了控制回路的极点与零点的位置。PID控制器产生的控制信号再经过PWM脉宽调制，最终作用于MOS管的栅极。

整套系统中，补偿器有自己的传递函数。当我们对电路进行建模的时候，如果已经提前知道了极零点响应，那么就能很轻松地设计出很好的补偿器，进而实现很好的稳态效果。自动控制原理中所学到的相位裕量、幅度裕量和稳定度等等概念都会在这里得到应用。这里充分体现了自动化的概念、控制的概念。

2.6 Boost 转换器

我们再回到拓扑上来，前面看到的Buck降压电路希望把100V的输入电压转换成50V的输出电压。在那个案例中，电感的位置是在开关的右侧。现在简简单单地把电感移到开关的左侧，它的效果就是使输出侧的电压随占空比的增加而升高。这样就不能再简单地用水流来类比了，需要回头使用电路学的方式来理解。我们看到了电力电子变换器既能升压又能降压。

2.7 单项逆变器(DC/AC)

再来看一个例子，这就是所谓的DC/AC变换。AC是双极性的，有正有负的状态。上图是一个逆变器电路，其中同样有开关。当开关打到1的位置时，Vs得到一个正的电压；当开关打到2的位置时，Vs得到一个负的电压，因此Vs对应了下图蓝色的波形，它是一个脉冲信号。这个脉冲信号再配合滤波电路，就能得到一个正弦波。此电路中H桥的拓扑非常经典，除了用于机械控制外，在特种电源等场景也会用到。

前面的例子中，经过滤波电路后我们都得到了直流电。而在这个例子中，经过滤波我们得到了低频的交流电。同样都是滤波，但得到的效果不同，而原理又是相同的。因此，电力电子技术中的AC/DC、DC/DC等技术不应该过分地单独讨论，在学习中应该更多地把握其中的共性。