電力電子在當今的技術中發揮著重要作用，能源管理變得極為重要。除了安全之外，提高所有設備的效率也是保護環境的責任。

本課程將以簡單易懂的方式涵蓋廣泛的主題。它將包括各種技術解釋、數學概念、圖表和電子模擬。

介紹

電流是電荷在導電空間中的有序運動和位移。

后者通常由銅、銀、鋁或金等金屬制成。

一個端子和另一個端子之間存在任何電位差都會導致這種運動(電壓)。如果電路兩端的電位相等，則電子會因熱攪動而無序地向各個方向移動。

在這種情況下，它們的運動沒有熱效應，它們的行為類似于池塘中的靜水。另一方面，如果將充電電池連接在兩個極端之間，則電子的運動會變得有序，因為在電路中會產生電位差。電子以極快的速度組織有序地移動以恢復系統中的平衡，從負極到正極，從一個原子到另一個原子，就像管內水的強制流動一樣。按照慣例，使用電流的方向，從正極到負極。電流最重要的特性之一是通過一定時間空間的量。即在一定時間間隔內通過導體的電子數量。在國際體系中，電流的測量單位是安培。根據以下公式，1 A 相當于通過大約 6.28 × 10導線中每秒18 個電子：

當電流流過導體時，會產生熱量，因為每個導體都會對電流產生一定的阻力。耗散(和未使用)的功率必須通過出色的冷卻系統進行處理，這些系統通常笨重、笨重且昂貴。了解電流安培數非常重要，因為流入導體的安培數越多，產生的熱量就越多(參見圖 1)。您可以通過觸摸堅固的電氣設備(例如電烤箱或洗衣機)的電纜來體驗這種加熱效果。熱量產生的測量使您可以適當地確定電線的尺寸和截面，以避免在導體無法承受傳輸中的電流量時過熱甚至發生火災。圖 1 顯示了兩個電導體。底部有幾個電子穿過，它的工作溫度很低。頂部有許多電子穿過，其工作溫度非常高。在這種情況下，設計人員必須立即進行干預以修改電路或以不同方式確定連接系統的尺寸。

圖 1：電子在導體中的通過會產生與其數量成正比的熱量。

電力電子

電力電子系統的基本特征之一是它們以非常高的能量效率運行。如果連接所有量的數學概念沒有得到很好的理解，就無法談論電流、電壓、功率和電阻。歐姆定律將電路運行中涉及的所有電氣參數結合在一起，因此不可能忽略作為電氣元件計算和選型基礎的公式。

歐姆定律是描述介入電路的基本量之間關系的公式;即電路中的電壓、電流、電阻和功率。電力電子學是通用電子學的一個領域，研究電流大于 5-10 A 時的電流管理方法。換句話說，如果你想設計一個小型放大器來處理幾毫安的微弱電流，你不需要不需要電力電子設備。相反，如果您需要設計一種能夠提供 20 至 30A 電流的電源，那么電力電子設備就會發揮作用。

圖 2 顯示了兩個基本電氣圖。左邊的一個與 15 個 LED 的照明系統相關，通過直接連接到 230-VAC 家庭電網。盡管該系統在相當高的電壓下運行，但它不是電源電路，因為只有幾毫安的電流通過它。相反，右邊的電路是大功率方案，因為它是指在低壓下工作時可以提供20 A電流的電源。

圖 2：低功率(左)和高功率(右)接線圖

電力電子的概念已經發展，如今它與與電力轉換、其控制和相對效率相關的技術相關聯。該部門還與適合能源轉換的所有電氣和電子系統密切相關。在電力電子中進行的電路研究主要集中在效率上。能源是一種非常寶貴的資源，必須以盡可能最便宜的方式使用。正是由于這個原因，必須盡量減少電子設備中的散熱和功率損耗。換句話說，從設備的輸入端傳遞到輸出端的能量不應該減少和減少。電力電子系統的應用越來越多，跨越不同的領域。DC/DC、AC/DC 和 AC/AC 轉換器、不間斷電源、電池充電器和電源只是功率因數校正和絕緣概念發揮作用的一些示例。在企業、工廠甚至家庭中，有許多設備會吸收大量能量。它們必須以最佳方式設計，以確保極高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超過政府和當局為獲得認證而規定的規格。電力電子的目的是節省電力，降低運營成本并提高電氣系統的安全性。它們必須以最佳方式設計，以確保極高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超過政府和當局為獲得認證而規定的規格。電力電子的目的是節省電力，降低運營成本并提高電氣系統的安全性。它們必須以最佳方式設計，以確保極高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超過政府和當局為獲得認證而規定的規格。電力電子的目的是節省電力，降低運營成本并提高電氣系統的安全性。

電路效率

在電力電子領域，效率為 99.9% 的設備能夠使用所有可用能源而不會造成浪費。

另一方面，效率為 45% 的設備能夠使用發電機吸收的不到一半的功率，其余的則在未使用的熱量中損失掉。在某些應用中，設備需要產生熱量，例如廚房烤箱和加熱器。在大多數應用中，有效利用能源是一個關鍵因素。超過 95% 的效率會帶來出色的結果，但現代設備可以實現更高的效率。電路的效率越高，浪費的能量就越少，這會導致熱量散發并降低電子元件的平均壽命。為了最小化能量損失，電源電路中的電子設備和組件被用作電子開關，在開關和高頻模式下，以最小化功耗。對于非常高功率的轉換器，可持續性。效率可以很容易地用輸出功率除以輸入功率的百分比來計算。計算電路效率的基本公式如下：

效率高，電子元件工作更好，散熱更少，可靠性和安全性更高。圖 3 中的圖表顯示了新材料如何提高器件效率。顯然，這是一個不排除對未來新發現的任何技術影響的統計數據。今天的研究集中在可以減少組件體積和重量的新技術上，這是一個重要因素，尤其是在汽車、航天和醫療領域。未來幾年將至關重要，隨著解決方案越來越接近完美，公司當然會采取越來越小的步驟。技術一直在尋找對電子具有最低電阻的材料。只有這樣才能獲得更高效、更可靠的系統。

圖 3：隨著時間的推移，逆變器的預測平均效率

結論

如引言所述，電流是有組織的電子流。對于 10-mA 和 80-A 電流，此通道是相同的。只有參與流動的電子數量會發生變化，就像塑料管中的水一樣。然而，結果卻大相徑庭。如前所述，低電流和高電流電路之間的限制相當窄，大約為 5-10 A。由于最近的材料技術進步，今天的電力電子設備非常高效。GaN和 SiC毫無疑問，在提高電導率以及操作和開關速度方面，都為該行業的改善做出了重大貢獻。與石墨烯一起，它們為能源消耗優化做出了重大貢獻。創新應用于各個領域，電力電子將在不久的將來發揮舉足輕重的作用。

審核編輯：湯梓紅