電力電子學(Power Electronics)的任務是處理(process)和控制(control)電能的流動,藉由控制電子元件的方式而提供負載所需類型的電壓和電流。上述這段文字說明電力電子學所要探討的議題,敘述地有些嚴謹,但這卻是電力電子的精神,如果你在學習的路途中迷惘了,請回來看看這段文字。
簡單來說,電力電子是利用電子元件去處理電能的一門學問。或者說,電子學(Microelectronic Circuits)在電力系統(Power System)上的應用,如果你有學過電子學和電力系統,這樣說會比較有感覺!也因此大家說電力電子處理的都是大功率的能量(與電子學互相比較)。
若我們以系統工程的角度來觀看,電力電子系統(Power Electronic System)的架構包含兩區塊,電力處理器(Power Processor)與控制器(Controller),如圖1所示。首先,電力處理器接收電源(Power Source)的能量,利用電子元件處理電能輸出至負載(Load)。這裡隱含了一些資訊沒有說明:輸入和輸出的電能是怎樣的類型?電能要如何處理?
圖1 電力電子系統(Power Electronic System)
電力處理器的輸入和輸出是什麼樣的電能呢?電力的類型分成直流電(Direct Current, DC)與交流電(Alternating Current, AC)兩種,電力處理器的輸入端和輸出端皆可以是這兩種類型之一。一般來說,輸入端通常是使用市電(Electric Utility)的AC,其頻率是50Hz或60Hz的市電頻率(Line Frequency)。
圖2 電力處理器(Power Processor)的架構
電能要如何處理?電力處理器(Power Processor)的內部實際上是由好幾個轉換器(Converter)組成,如圖2所示,此電力處理器由兩個轉換器串接(cascade),每個轉換器皆由個別的控制器控制,轉換器的數量與連接方式依據需求而設計,因此圖2僅是一個簡單的架構示意圖。值得注意的,轉換器相連的部分包含能量儲存元件(電感器或電容器),因此在某個瞬間,Converter 1輸出能量不等於Converter 2的輸入能量,其中部分能量儲存於中間的Energy Storage元件,但系統整體而言是遵守能量守恆定理,長時間平均下的輸出與輸入能量皆是相等。
我們依照轉換器輸入與輸出的電力類型可以區分下列幾種轉換器:(我們建議使用英文稱呼,因為Converter這個字容易混淆)
AC-DC:Rectifier(整流器),將交流電轉換為直流電,大概所有的Power Processor輸入端的轉換器都是Rectifier,最常使用二極體(Diode)整流,也有使用閘流體(Thyristor)元件控制整流。
DC-DC:Converter(轉換器),注意到,一般我們稱呼Converter指的就是輸入直流且輸出直流的DC-DC Converter,這類型的轉換器種類最多,族繁不及備載。
DC-AC:Inverter(變頻器),將直流電轉換成交流電,中文稱為變頻器可能誤認為輸出交流頻率可變動,實際上固定輸出頻率的交流電也稱為變頻器,頻率為零的直流轉換成固定頻率的交流!
AC-AC:Cycloconverter(換流器),交流電直接轉換成交流電,可改變電壓大小與頻率,在轉換過程中不經由直流鏈(DC Link)。
上述是從系統的觀點往下俯視電力處理器,如果我們從使用者(User)的角度觀看系統,每個電力處理器都是提供使用者電力能源,因此電力處理器可稱為電源供應器(Power Supply),用以提供使用者負載的電能。依照工作的方式可以區分為兩大類:線性電源供應器(Linear Power Supply)與交換式電源供應器(Switching Power Supply),兩者的特色比較如下,請注意這些特色都是相對而言,無所謂絕對優點和缺點,全依據使用場合與要求選定較佳的電源供應器。
線性電源供應器(線性調整器)
或稱為Linear Regulator(線性調整器),以下我們列舉出線性電源供應器的一般特色。
效率低
將半導體元件工作於線性區域,當成電阻器使用,因此功率損失較大而效率低。
體積大,重量重
多數的線性電源供應器輸入端為交流市電,而輸出電壓多為低壓直流電,使用變壓器降壓,另外,效率低而必須使用散熱器。因此,變壓器與散熱的原因使得體積大、重量重。
電路簡單
多數線性電源供應器使用電晶體、二極體、電阻與電容組成,
漣波小,干擾小
沒有交換式電源供應器的半導體開關動作,電壓與電流的變動小,因此漣波小、干擾小。
暫態響應高
線性電源供應器使用於半導體線性區,其控制信號可以快速反應至輸出負載。
電源操控範圍小
半導體操作範圍有一定限制,加上變壓器的操作條件限制,電源輸入範圍有限,另外,輸出電壓無法高於輸入電壓。
交換式電源供應器(切換式調整器)
也稱為Switch-Mode Power Supply,或是稱為Switching Regulator(切換式調整器),以下各項目是交換式電源供應器,你將會發現為何交換式電源目前為何廣泛被使用。
效率高
主要原因是將半導體元件工作於飽和區和截止區兩區域(即On和Off),當成開關元件使用,因此損失較小而效率高(還是有切換損失和導通損失)。
體積小,重量輕
由於提高切換頻率使得變壓器體積減小,加上效率高使散熱器體積減少,兩項因素使得交換式電源供應器體積小、重量輕。另外,頻率提高後,輸出的濾波器頻寬得以提高,電容值與電感值減少而使體積變小。
電路複雜
交換式電源供應器必須控制半導體開關動作,必須使用控制器,加上信號回授電路、驅動電路等使得零件數量增加,電路複雜度相對較高。
漣波大,干擾大
因為半導體開關動作使電路中電壓與電流變動大,因此造成輸出漣波較大,其切換過程也造成電磁干擾的問題。
暫態響應低
由於開關動作與輸出濾波器限制控制頻寬,電路的暫態響應相對較低。
電源操控範圍大
交換式電源供應器的架構使電壓操控範圍較大,其輸出電壓可高於輸入電壓。
以上內容已經說明電力電子學(Power Electronics)是什麼,我們再次回到原點說明,電力電子是利用電子元件去處理電能,所以範圍是相當廣泛的一門學科,然而,目前大家所說的「電力電子」大多是指「交換式電源供應器」這類的電力處理器。
注意到,這樣的認知有其侷限,處理電能還有另一門專業學科「工業電子學(Industrial Electronics)」,工業電子學的發展較電力電子學早,兩者都是在處理電能,最大差異在於:工業電子學使用閘流體(Thyristor),元件工作頻率在市電頻率,處理的能量通常很大很大。而電力電子學則使用可控制的半導體開關元件,元件工作頻率不是在市電頻率,一般是工作於數十kHz到數百kHz的範圍。主要是半導體元件的進步發展,電力處理的問題先由工業電子學解決一部分,爾後電力電子學繼續解決電力處理的另一部分問題,目前似乎已經屬於電力電子學之中。
本文提到工業電子學的目的是希望大家不要忽略這一部分,很多電力電子書籍也都有撰寫到這部分的內容,然而目前趨勢是工業電子學較為冷門,但這卻是電力電子學的前身,仍然有學習的必要性。
最後,本文沒有提到電力電子系統中的控制器(Controller)部分,關於控制器的知識又是另一門專業學科,在本網站中目前將不深入探討,其知識內容將於未來補充撰寫。