电力电子是解决环境和能源问题的关键技术

　　　为什么现在电力电子受到关注？

　　我们永远嗡嗡作响的现代社会是由电力支撑的。电力电子学是与电力的传输、转换、控制和供应以及为电子设备供电相关的技术领域。近年来，尽管人们呼吁节约能源，但电力消耗一直在上升。IT 设备的迅速普及大大加剧了这一趋势。在此背景下，电力电子作为缓解环境和能源问题的关键技术之一，在今天再次引起人们的关注。本文开始了一个涵盖电力电子领域的系列文章——一种在专业工程师之外鲜为人知的技术。

　　没有电源，电视和电脑就不能工作，空调和冰箱不能运转，手机也不能充电。当今的电子社会可以看作是一个巨大的电子设备。仅仅“供给动力”是不够的——在追求经济（节能资源节约、高效等）和实用性（小而轻、功能丰富等）的同时，保持质量和消除不稳定因素至关重要。这是电力电子领域不断面临的技术挑战。

　　电力电子学的第一步是了解直流和交流

　　电力电子领域的第一步是了解直流电 (DC) 和交流电 (AC) 之间的区别。干电池、纽扣电池等原电池；可充电二次电池，如镍镉电池、锂离子电池和铅酸汽车电池；太阳能电池和燃料电池发电——都提供直流电流。另一方面，交流电流定期交替改变方向和强度。在日本，家用墙壁插座的可用电力为 100V（该国东部为 50Hz，西部为 60Hz），北美为 120V，世界其他地区为 200 至 240V。商用交流电可以指定为100V，但电压可能会在100V以下或以上10V有规律的波动；偶尔，

　　甚至电池的直流电流也不是恒定的，因为电压会随着时间的推移而下降。在移动电话和笔记本电脑等便携式设备中，电压下降会导致故障，因此它们通常配备有自动关机功能。此外，流经电子电路的直流电流可能会渗入交流电流的元素，这也可能导致故障和辐射噪声。DC和AC的完美形式可能作为理论模型存在，但在现实中并不存在。

　　电力电子在电力输送中的作用

　　电力电子设备的使命是最大限度地减少电力传输和转换中的损耗并提高效率。例如，发电厂产生的电力被升压到高压交流电并通过输电线路分配，但由于线路中的电阻，很大一部分能量以热量的形式损失掉。这种功率损耗与电流的平方成正比。电压越高，传输相同功率所需的电流越小——这就是为什么传输是在几十万到一百万伏以上的非常高的电压下进行的。在较低电压下，线路需要更粗，需要更坚固的塔。

　　19世纪末，在欧洲和美国爆发了一场被称为“电流之战”的争论，即直流还是交流更适合建设输电网以服务于广大地区。电压随着传输距离的增加而下降，但直流电压不能用变压器提高——因此交流电占了上风，并一直沿用至今。然而，在 20 世纪下半叶，直流电力传输开始被重新考虑，因为直流不存在交流固有的功率损耗问题。总体而言，对于长距离传输，直流比交流更经济，尽管需要设施在传输前将交流转换为直流，反之亦然。直流和交流各有利弊，这就是为什么它们需要适当混合和匹配的原因。对于电子设备也是如此。

　　电子设备中的功率转换

　　大多数电子设备都配备有集成电路 (IC)。由于 IC 由 DC 驱动，从商用 AC 供电的设备需要先将其转换为 DC 的电路。这就是大家熟知的AC-DC电源（由于开关方式现在是主流，所以有时也称为AC-DC开关电源或简称为开关电源）。由电池供电的手机使用交流适配器（一种简单的交流-直流电源）将交流电转换为直流电为电池充电。笔记本电脑在固定使用时通常使用交流适配器，因为它们比手机消耗更多的电量。

　　AC-DC 电源不是唯一的电源。由于电子电路通常需要不同的电压，因此需要将功率转换为适当的电压。这可以通过 DC-DC转换器实现。随着电子设备变得越来越多功能，小型 DC-DC转换器正以分布式方式放置在 IC 附近。过去，为液晶电视提供背光的冷阴极管需要高电压才能点亮。他们配备了 DC-AC 逆变器（有时简称为逆变器），可将直流电再次转换回交流电，以便使用变压器来提高电压。

　　如您所见，电子设备中使用了各种类型的电源来满足每个电路的要求。它们有多种形式，例如封装在外壳中的那些、聚合多个电源电路的模块、内置在设备中的板以及安装在其他电路板上的小型子板。尽管在专家之外并不为人所知，但电源世界在技术上是一个有趣的世界。