第一章　電力電子系統

Power Electronic Systems

這一章計算不多，但它是後面每一章的地圖。讀完要能用自己的話講清楚：電力電子在轉換什麼、為什麼用開關、看到一個電路時它屬於哪一類。

1. 一句話

電力電子用半導體開關，把電能從一種形式轉成另一種形式，而且要高效率。

英文是 power electronics。做這件事的電路叫 converter（轉換器），也叫 power processor。

輸入可以是交流或直流，輸出也可以是交流或直流。中間的轉換器不停地把開關打開、關掉，讓電壓和電流的平均值、有效值變成負載需要的樣子。

2. 為什麼不用線性電路硬降壓

線性電子把電晶體放在「半開」的狀態，多餘的電壓落在電晶體上，變成熱。

開關電源讓開關只有兩個狀態：

全開 on：理想上電壓是 0，電流可以流。功率 $p = v i = 0$ 。
全關 off：理想上電流是 0，電壓可以很高。功率還是 0。

真正消耗能量的是負載，不是開關。所以效率可以很高。真實開關在切換的瞬間電壓和電流會同時不為 0，還是有一點損失，但比線性電源小很多。

例題 1-1　同一個負載，兩種做法

要把 24 V 的直流，供給一個 12 V、2 A 的負載。

線性做法

負載拿到的功率：

P_{out} = 12 \times 2 = 24\ \text{W}

輸入電流也是 2 A（中間沒有能量儲存元件把電流變小），所以輸入功率：

P_{in} = 24 \times 2 = 48\ \text{W}

落在調整元件上的電壓是 $24 - 12 = 12$ V，損失：

P_{loss} = 12 \times 2 = 24\ \text{W}

效率：

\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} = \frac{24}{48} = 0.5 = 50\%

一半的電變成熱。

理想開關做法

理想開關不消耗功率，所以 $P_{in} = P_{out} = 24$ W，效率是 100%。真實電路還有電感、電容和開關的一點損失。若效率是 90%：

P_{in} = \frac{24}{0.9} = 26.7\ \text{W}, \qquad P_{loss} = 2.7\ \text{W}

和線性的 24 W 損失比，差了一個數量級。這就是這門課存在的理由。

效率的英文是 efficiency，符號常用 $\eta$ 。

3. 四種基本轉換

看到英文先問兩件事：輸入是 AC 還是 DC？輸出是 AC 還是 DC？

中文	英文	轉換	常見例子
整流器	rectifier	AC → DC	充電器、直流電源
逆變器	inverter	DC → AC	不斷電系統、太陽能併網
直流－直流轉換器	dc–dc converter，也叫 chopper	DC → DC	筆電電源內部、電動車降壓
交流－交流轉換器	ac–ac converter	AC → AC	改變電壓大小或頻率

第 5 章先學整流器裡最基本的一種：二極體整流器 diode rectifier。二極體沒有閘極，不能由我們決定何時導通，所以叫 uncontrolled rectifier（非控整流器）。以後用閘流體控制導通角的，叫 phase-controlled rectifier（相控整流器），那是第 5 章之後的內容。

還有兩個口頭會聽到的分法：

line-frequency（線頻、市電頻率）：開關跟著 50 或 60 Hz 動作，第 5 章的二極體整流就是這種。
switch-mode（開關模式）：開關自己用高頻切，幾十 kHz 也很常見。電感和電容可以做很小。第 1 到第 4 章先建立這個名詞，電路在後面的章節。

4. 一個電力電子系統裡有什麼

口頭上課時，系統通常被拆成四塊：

電源 source：市電、電池、太陽能板。
功率轉換器 converter：二極體、開關、電感、電容、變壓器。
負載 load：電阻、馬達、電池、另一台轉換器。
控制 control：決定開關何時開、何時關。二極體整流沒有這塊，因為二極體自己決定。

能量要能雙向流動時，轉換器要能把功率送回去，例如馬達煞車把能量送回電源。二極體只能單向，所以第 5 章的整流器功率只從交流側流到直流側。

5. 應用時在意的幾件事

老師口頭帶過應用時，真正要記住的是這些要求，不是背產品名單：

效率 efficiency：損失變成熱，熱要散掉。
波形 waveform：輸出是不是夠平、輸入電流會不會把市電搞髒。第 5 章的諧波就是這件事。
功因 power factor：同樣的實功，電流有效值越小，線路越不會白白發熱。
電氣隔離 isolation：常用變壓器把輸入和輸出隔開。

6. 這章要認得的英文

英文	中文	看到時怎麼理解
power electronics	電力電子	用開關做功率轉換
converter	轉換器	中間那一塊電路
rectifier	整流器	交流變直流
inverter	逆變器	直流變交流
chopper	截波器	直流變直流的舊說法
switch-mode	開關模式	高頻切換
line-frequency	線頻	跟著市電 50/60 Hz
efficiency	效率	輸出功率除以輸入功率
load	負載	真正用电的那一端
source	電源	能量從這裡來
uncontrolled	非控	不能用閘極決定導通

7. 例題 1-2　這個電路屬於哪一類

判斷下面三種描述。不需要畫詳細電路。

插座的 110 V 交流，經過二極體後變成直流，拿去充電。
電池的直流，變成 60 Hz 交流，供給家電。
汽車電池 12 V，變成 5 V 供給晶片，中間用高頻開關。

解答

輸入 AC、輸出 DC，是 rectifier。用二極體，而且沒有控制導通角，是 uncontrolled rectifier。第 5 章就是這一類。
輸入 DC、輸出 AC，是 inverter。
輸入 DC、輸出 DC，是 dc–dc converter。高頻開關，屬於 switch-mode。

8. 例題 1-3　效率

一台轉換器輸入 200 V、1.2 A 的直流，輸出 48 V、4 A。

求效率，並求損失功率。

輸出功率：

P_{out} = 48 \times 4 = 192\ \text{W}

輸入功率：

P_{in} = 200 \times 1.2 = 240\ \text{W}

\eta = \frac{192}{240} = 0.80 = 80\%

P_{loss} = 240 - 192 = 48\ \text{W}

這 48 W 就是開關、電感、二極體等元件總共變成熱的功率。

9. 口頭課結束時要能講的話

電力電子靠開關做轉換，理想開關不消耗功率。
線性降壓會把多餘電壓變成熱，效率常常很差。
整流是 AC→DC，逆變是 DC→AC。
二極體整流是非控整流，第 5 章專門講它。