极简电力电子学，看这一文就够了！

世界上有两种电

 一种是交流电，

它的方向一会儿正一会儿负

一种是直流电，

它的方向从来不变

我们家里插座里的电

就是交流电

电池发出的电

就是直流电

有时候，我们需要把交流电转换成直流电，比如手机充电器，

有时候，我们需要把直流电转换成交流电，比如数据中心的不间断电源，

有时候，我们需要把直流电的电压升高或降低，手机里就有很多升压电路

有时候，我们需要改变交流电的频率和幅值，比如变频空调、变频冰箱。

这些电流交直直交高高低低变换的艺术，

就是电力电子学。

在电力电子学的舞台上

Slay全场的，正是我们功率器件天团，

它们包括但不限于：二极管，MOSFET，IGBT，HEMT，IGCT，GTR…

它们的名字你可能熟悉也可能不熟悉

但它们的作用只有一个：

导通，或者关断电流。

对，就是一个电子开关，

和我们家里墙上的开关也没什么本质不同。

有的功率器件有两个端子，比如二极管

封装好的二极管

 二极管的电路符号

它是一个单向车道 电流从阳极向阴极 流畅通无阻 从阴极向阳极流 便是此路不通  因为二极管只有两个端子，所以它的开通和关断是无法自己控制的，电流来了就得收，走了也无法留。

而有的功率器件有三个端子，它们是可控功率器件，不管面对多大的电流，也可以大声的说出我不要。

而可控功率器件天团里的绝对能力者，非IGBT莫属。

IGBT是一个超级电子开关，它能耐受超高电压。

我们家中插座里的市电交流电电压是220V，而薄如纸张的IGBT芯片能承受的电压最高可达6500V。我们一般家庭里家用电器全部开启最大电流也不会超过30A，而一颗指甲盖大小的IGBT芯片就能流过约200A的电流!

下图是安装在基板上的4个IGBT芯片和4个二极管芯片。

但是，像这样裸露的芯片是不能直接用的。我们需要把芯片再封装到一个外壳里面，外壳中再填充绝缘的材料，把芯片的电极引到外端子上，就形成了能够使用的IGBT产品。

有的外壳里只有一颗IGBT芯片，有的可能会十几颗，二十几颗芯片。于是，就形成了各种各样的IGBT单管和模块。单管封装的IGBT的最大电流在100A左右，IGBT模块的最大额定电流可以达到3600A！

 单管

模块

电路图中的IGBT我们一般用下图来表示，G表示门极gate，它用来接收指令。C表示集电极collector，E表示发射极emitter，集电极和发射极用来导通电流。平时IGBT是截止的，一旦门极接收到一个开通指令，电流就会源源不断地从集电极到发射极之间流过。

就好比你家里墙上的开关，按一下，开关闭合，电灯亮起；再按一下，电灯熄灭

当然，操作IGBT，不再是手，而是电子脉冲。

高电平来临时，器件开通；低电平来临时，器件就关断

手动操作开关，可能一秒钟一两次，而我们的电子开关，一秒钟可以开关上万次，几十万次！

这就是我们需要电子开关，

也就是功率器件的原因。

当若干个功率器件组合在一起，它们就可以出道了，这些组合的名字，叫“拓扑”。每个拓扑，都有自己的独门绝技。

4个或6个二极管组成的拓扑，可以把交流电转换成直流电；

单相整流桥

 三相整流桥

4个或6个IGBT或MOSFET组成的拓扑，可以把直流电转换成交流电；

 全桥逆变电路

 三相桥逆变电路

IGBT以及二极管再加上其它被动元件的拓扑，可以把直流电电压升高或降低。

升压电路

降压电路

拓扑好像有点复杂？

没关系，我们可以给他们设计一些logo

整流电路

 逆变电路

升/降压电路

不论多么复杂多么庞大的用电设备，都是由这些基本的拓扑和元件组成的。

很多时候，在同一个设备中，电能都会经过不止一次变换，比如电动汽车的充电桩。

手机充电器的输出电压一般为5V，而你知道电动汽车的电池电压有多高吗？最高可达750V！

给电池充电只能是直流电，而三相工业电网中流动的是380V交流电（不同于家用电网的220V交流电），那么充电桩是怎么把380V的交流电变成750V的直流电的呢？

首先380V的交流电会经过一个整流电路，变成约500V的直流电。这时的直流电一来电压不够高，二来电压不能调节，所以还不能直接供给电池充电。

整流得到的直流电进入一个逆变电路，逆变电路就是我们之前介绍过的IGBT，或者MOSFET组成的拓扑。IGBT或MOSFET在门极信号的控制下高速开关，把直流电变成频率极高的交流电。这个交流电是方波，通过调整高电平的占比，就能自如的调节等效电压啦。

高频交流电再进入一个整流电路，最终变成250V~750V的输出电压，给汽车充电。

整个电能变换的拓扑如下图：

看着有些复杂，但换成标志就简单了，就是整流电路+逆变电路+整流电路，像这样：

看，电力电子系统就这么简单，像搭积木把所有的功能搭在一起就可以了，现在你也可以来搭建属于你自己的系统了！

一个小小的充电桩里，电就经过了交流-直流-交流-直流这样复杂的变换历程。其实，在我们身边的用电设备里，小到手机、电脑，大到电动大巴、高铁；从触手可及的冰箱、电视，到你看不见的工厂流水线，电能，都会经历千回百转的变化。这其中电能变换的艺术，就是电力电子学。从一缕阳光或一阵微风，到高压输电线上几万伏的高压，再到手机充电器输出的5V电压，这就是电能的浪漫旅程。