电力电子

概念定义

电力电子，又称功率电子，是利用高功率固态电子器件，即功率半导体元件，对电能进行转换与控制的技术。其目标是把输入电能处理成负载所需的电压、电流或频率形式。电力电子学处于电力学、电子学与控制理论的交叉领域，同时涉及电路、电子、控制、电磁、信号处理、电力系统、电机与半导体物理等知识。

工作原理

电力电子系统以变流电路为核心。功率半导体器件在控制信号作用下改变电路的导通状态，转换电路再配合被动元件和磁性元件处理电能，从而调节输出的电压、电流与频率。系统设计通常包括变流电路架构、磁性元件设计和控制策略，并按照负载与电源特性确定转换方式。

变流技术可分为四类：AC-DC将交流电转换为所需的直流电，通常称为整流；DC-DC把一种直流电压转换成另一种直流电压；DC-AC将直流电转换为交流电，通常称为逆变；AC-AC则改变交流电的电压、频率或两者。不同类型的变流器可独立使用，也可组合在电源、驱动或电力传输系统中。

技术构成

电力电子技术包含功率半导体器件制造技术及其应用技术，后者主要体现为变流技术。功率半导体是电力电子领域使用的一类半导体器件总称，在转换电路中承担受控导通等功能。完整系统还包括被动元件、磁性元件、控制器及相应控制策略。随着微电子技术发展，功率器件的控制和调节能力得到扩展，使变流电路能够用于更复杂的电机驱动、能源转换和电网控制任务。

应用场景

AC-DC整流电路常见于电脑电源供应器和手机充电器；DC-DC变流器可用于电源内部的直流电压转换及不同电平之间的转换；AC-AC变流器应用于在线式不间断电源、变频冷气机、升降机和交流电机调速；DC-AC逆变器则用于不间断电源、紧急照明及太阳能发电系统。

在工业驱动领域，电力电子装置通过调节供给电动机的电压与频率控制其运行状态，也用于大型电机驱动和电力机车。电力系统中的相关应用包括高压直流输电、不同电力网络之间的连接，以及交流输电系统的功率流控制。可再生能源、电池储能和马达驱动同样需要变流设备协调电源、储能装置与负载之间的能量交换。

汽车中的早期应用包括发电机调节器，随后扩展至电子点火和电子燃油喷射。混合动力及电动驱动系统需要把电池提供的直流电转换为驱动电机所需的电压和频率，并可在电池或双电层电容器等储能装置与驱动系统之间进行电能转换。电弧焊使用逆变换流器，电阻焊也可采用中频逆变器。

技术演进

电力电子概念可追溯至1902年的汞蒸气整流器，它能把高电流交流电转换为直流电。此后，相关装置逐步加入控制功能，但汞蒸气整流器导通时产生的功率损失限制了其后续应用。半导体整流器随后出现。1957年，通用电气研制出后来称为晶闸管的可控功率半导体，推动电力电子从早期整流装置转向以可控半导体器件为核心的变流技术。