电力电子学概论 - 概述

大家好！ 我叫 Ryan Manack，是德州仪器 (TI) 的 系统工程师。 今天，我们将讨论电源 101， 这是电力电子产品的简介。 电力电子产品概述。 考虑一下您的日常活动。 这些日常活动中有哪些是由插头连接的电源或电池等电源 驱动？ 我们不仅利用功率，而且依靠功率。 例如，您的晨间惯例。 关闭闹钟。 打开房间灯。 您也许会使用电动牙刷 并给自己倒上一杯咖啡， 然后，您检查 iPhone上的电子邮件。 您甚至还没出门上班， 就已经使用了超过半打的功率器件。 即使您上班驾驶的汽车 具有内燃机，但是这台汽车是 使用电子设备点火的。 我们为何关注？ 为何我们关注电力电子产品？ 上述设备均无法 使用无电电池或在插头被拔出时工作。 所有这些操作均必须有功率。 确切而言，什么是电力电子产品？ 嗯，电源的测量单位为瓦特 且计算方式为瞬时电流 乘以瞬时电压的积。 电能，另一方面，是一段时间与 功率的乘积且单位为瓦特小时。 每家每户均与公共事业公司的电网相连。 公共事业公司对企业、学校 和住宅开立电费单并以度为单位 收费。 例如，通常能源价格在每度 0.10 美元的 范围内。 功率电子产品用在何处？ 我们讨论了什么是功率以及为何功率重要。 现在，我们讨论一下您可以在哪里找到它。 为说明特定位置，而非任意给定位置， 我们使用了功率来支持负载所做的功。 电机，如吸尘器或电力机车中的电机， 需要具有适当的电压和电流才能运行。 家庭影院扬声器接收由接收器通过扬声器线路发送的 功率。 微处理器常见于嵌入式应用。 它们为洗衣机、 微波炉的活动以及汽车的某些功能提供支持。 FPGA 在数据中心中变得更为频繁， 因为其每瓦性能对比其他技术 具有优势。 它们用于加快高性能 计算密集型任务，例如 搜索引擎执行的任务。 DSP 执行信号处理、音频/视频压缩、 语言压缩以及范围广泛的其他进程。 大部分情况下，微控制器、 FPGA 以及 DSP 等均由低压电源供电。 5 伏或以下，范围从数微瓦 至数百瓦功率级。 功率还在计算机和电视中 用于驱动背光 LED。 我们现已讨论了功率的使用场合。 现在，我们需要解答有关如何获取能量的疑问。 功率不能从诸如水流的水中很好地获得。 必须从能源生成电力， 也称作初级能源。 我们的世界充满初级能源， 这是一种可在自然界找到的能源形式， 该能源形式不受转换或变换处理 影响。 初级能源可分为不可再生和可再生 类。 不可再生能源包括化石燃料， 如煤、油以及天然气，并且不能轻易替换。 另一方面，不可再生资源 可更为轻松地替换。 常见示例是风、太阳以及流水。 但是，仍然存在一个重要的问题， 那就是：能源如何转换为 电能。 对于不同类型的电源，此流程各异。 可能最易想到的是不可再生的石油。 在发电厂，燃烧石油 并创建排出的热量。 此排出的热量用于烧开水和生成蒸汽。 然后，蒸汽的热能将通过 转动涡轮机转化为机械能。 涡轮与围绕涡轮 旋转的发电机有关。 随着其转动，发电机将使用涡轮能量 创建电量。 电能将传送给变压器， 其作用是抬高电压以配送电力。 正如我们在上一幻灯片中所讨论的， 发电厂从能源中 创建电能。 该程序中的下一步是以 电力形式将能量传送给 家庭、学校和公司的用电者。 这一过程通常称作电力配送， 宏观上看，与电力配送相伴的电力输送渠道， 即称作电网。 电网是复杂的互联 电力传输网络，且具有 极高的电压。 高压用于降低铜质电线上的功率损耗。 功率损耗等于电流的平方 乘以线路的电阻。 由于电源是电压与电流的乘积， 对于任何指定的功率级别， 提高电压和相应降低电流 就变得更有益。 从而降低由i 的平方乘以 r 得出的损耗。 正如此图中可见， 电力在高达765,000 伏交流电下 输送至全国各个地区。 原理图显示，两个串联锂电池的电压 比此电压低五个 数量级。 实际上，所有负载均在远低于 765,000 伏的交流电下 运行。 正如抬高电压以降低传输损耗， 必须将电压降低至更低、更安全的级别。 重要的是，将电压转换为 更高级别，然后恢复至较低级别 并非无损，这将减少 高电压传输的某些益处， 与宏观级别配电类似， 在宏观级别配电 将运用许多相同的技术。 左边的示例是服务器方框图的 草图。 服务器电源是120 伏交流或 230 伏 交流线电压，它通常通过 建筑来路由。 交流电的电压会通过功率转换器 转换为 12 伏直流电， 现在我们可将其按黑盒处理。 顾名思义，12 伏总线电压， 将通过整个服务器主板传输。 在服务器顶端和底端各处散布着 不同的负载，这些负载经组合可构成整个系统。 如图所示，这些负载包括风扇、内存通道、 系统 I/O 导轨以及CPU，这只是其中少部分示例。 正如 765,000 伏交流电压无法向所有负载供电， 12 伏直流电也无法向所有负载 供电。 要解决此问题， 电压已转换为紧邻该负载的可接受电压级别。 这称作负载转换点。 总而言之，如在国家/地区电网中， 服务器会配送较高的12 伏电轨的电压 再在所需位置转换电压。 该架构将限制板上的电损，即i 的平方与 r 之积。 总而言之，学校、家庭和公司的电源 可包括我们在最后一张幻灯片见到的 交流插座、电池、墙插、实验室电源、 发电机或 PC USB 端口，在此仅列出其中少部分示例。 然后，电力能够以交流电转换为直流电、 直流电转换为直流电或以 壁式适配器等黑盒形式转换。 这转换了随后