什么是电力电子

        在日常生活中，电能变换的需求无处不在。比如给手机充电，充电器从插座220V交流电取电并转换为手机电池所需的5V或者其他幅度的直流电输送给手机，这就完成了最简单的AC-DC电能转换。除此之外，还有空调、电视、新能源车等更多电能变换的需求。强烈的电能变换需求，催生了电力电子，电力电子是一门电能高效变换以及控制的学科。

什么是电力电子学?

        电力电子历史悠久。电子管的诞生可以追溯到1904年，晶体管也是在1947年就问世了。电力电子元年被认定为1957年，也就是半控制型晶闸管出现的年份，晶闸管的出现让电力变换更方便人为可控。

        常见的PWM技术引入于1961年，IGBT的量产在1988年，宽禁带半导体出现在1991年，直到今天，更多的新型半导体和半导体测试方案在不断问世，比如“双脉冲测试”。

 
        电力电子学是一门交叉学科，它包含了电子学、电力学和控制理论电气工程三大学科。

        其中，电子学是物理学的一门分支学科，专门研究电子、电子装置、电子电路等课题，利用包括"有源器件"(例如真空管、二极管、三极管、集成电路)和与之相关的"无源器件"等电子元件，来构成电路的互连技术。

        电力学是以探讨大电流(强电)，高功率的电路为主的科学，其主要基础是建构在工程数学、电路学、电子学及电磁学。电力领域分成电力系统及电力电子等领域，并大量地应用于发电、供电、输电、配电、电能转换、电力使用及电力转换器等相关技术。电力学的组成包括：电力电子器件(半导体器件)、电力电子变换器、电力电子系统动力学、电力电子可靠性分析。对于电力电子的测试测量，很多时候就是解决可靠性问题。

        控制理论一般的目的是借由控制器的动作让系统稳定，也就是系统维持在设定值，而且不会在设定值附近晃动。设定值一般维持不变的控制称为调节，设定值快速变化，要求跟踪速度加速度等的控制称为伺服。

电力电子学的几个方面

电子电子器件

        电子电子器件包括常见的电阻、电容、二极管、MOSFET、IGBT等。如下图可知，不同的功率器件所对应的应用不同。比如IGBT，频率范围在几百Hz~几十kHz，功率范围在几kW~几百kW，多用于汽车、UPS、机器人、电焊等场景。

        而MOSFET频率范围更高，是十kHz~几百kHz，但是功率范围更低一些，在几W~几kW，常见的应用场景是汽车、开关电源、音视频设备等。

电力电子变换器

        电力电子应用的重点，也是测试测量的重中之重。常见的变换器有AC-DC整流器、DC-DC变压器、DC-AC逆变器、AC-AC变换器(包含AC-DC-AC)

• AC-DC变换器随处可见，比如我们手边的手机充电器、笔记本充电器。
• DC-DC变换器多见于电源板，消费类终端等，比如我们手边的充电宝，电脑主板上的DC-DC降压电源。
• DC-AC逆变器近年火热，比如耳熟能详的光伏、储能等。
• AC-AC变换器，常见形式有变压器和变频器。
   

电力电子材料

        电子电子涉及的材料很多，比如近年来最热门的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。两种材料和IGBT、MOSFET等有根本的区别。

        举个例子，如果IGBT和MOSFET相当于耳环和戒指，那么SiC和GaN就相当于黄金和铂金，一个是器件,一个是材料。

        那么SiC和GaN又有何区别呢？首先两者的晶体结构不同，如下图
 

        更易懂的是，两者的应用是不同的。从下图可知，SiC的频率范围是几十几百Hz~几百kHz,功率范围是几kw~10Mw，多用于新能源汽车、动车、电网、工业机车等应用，而GaN的频率范围更高，为几十kHz~几MHz，功率范围更低，为几w~几十kw，应用场景多为手机充电器、显示屏、小功率电源等。 

电力电子的典型测量项目和测试设备

        电力电子的典型测量项包括功耗/效率/待机功率、电压和电流波形分析、纹波/噪声、电流/瞬态响应、启动/关闭序列、PWM调制分析、EMC/谐波分析等。

        在测量方面的挑战，包括在多个信号通道上的浮地测量、越来越快的上升/下降沿带来的高带宽需求与EMC问题、大共模电压下的小电压测量、不同要求下的不同电压水平测量与电流测量等等。

        总体来讲，电的生命周期可分为生成、存储、传输、转换、消耗等阶段。各阶段可能用到的测试设备如下所示：

        生成阶段：常见的生成方式有水力发电、火力发电、核电、风光发电等，常用的测试设备有电源、电子负载、手持仪表等。

        存储阶段：常见的短时储能方式有锂离子电池储能、铅蓄电池储能、超级电容储能等，常见的长时储能方式有抽水储能、氢储能、压缩空气储能等，常用的测试设备有电源、电子负载、示波器、手持仪表等。

        转换阶段：常见的有AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-AC等，常用的测试设备有示波器、电源、电子负载、功率分析仪、LCR表。

        消耗阶段：消耗方式和各种不同的用电设备有关，常见的测试设备有示波器、电源、功率分析仪。

 

总结

        电力电子是一门电能高效变换以及控制的学科。电力电子学是一门包含了电子学、电力学和控制理论电气工程的交叉学科。