电的神奇旅程

来源：本文为第三届科普大赛获奖作品选登，作者：赵佳。

太阳能电池板里有无数不安份的小球——电子，当阳光照射在太能阳电池板上，电子吸收了阳光的能量，不安分地脱离了电池板的束缚。无数电子汇集在一起，就形成了电的滚滚洪流。

刚刚从电池板产生的电会储存在蓄电池里，这时还只是电压比较低的直流电，而我们家用电器都需要220V的交流电。这时我们就需要一台光伏逆变器，把蓄电池里的直流电升压，然后变成交流电。经过逆变之后的交流电，即可以直接供给家用电器，也可以汇入电网。

逆变器的功能，就是将直流电转换成交流电。这里就需要用到功率器件小哥哥们，可以是MOSFET，也可以是IGBT，它们先是组成升压电路，把蓄电池输出的电压升高，然后再组成逆变电路，把直流电转换成交流电。交流电可以直接供给家用电器使用，也可以汇入电网，造福更多家庭。

同样的清洁能源，还有风电。

驾车行驶在崇山峻岭间，这一座座的白色巨塔是天地间别样的风景。

你可能会把它叫做“风车”，但实际上它的正式名字是风力发电机组。风力发电机组并不是只有我们看到的三个叶片那么简单 ，在风机高高的塔筒与机舱里，藏着庞大的发电机和变流器。

强劲的风力带动叶片转动，叶片带动发电机产生电流。发电机产生的电是交流电，但是电压及频率与电网并不一致，不能直接并入电网，这时，我们需要一台变流器，把不符合电网要求的“生电”，变成频率电压都合格的“熟电”，输入电网，送到千家万户。

而变流器的核心部件，就是IGBT。风电变流器中靠近风机侧的部分是整流电路，它把发电机刚发出的交流电变成直流电，然后送入直流母线中存储起来。变流器中靠近电网侧的是逆变电路，它把母线电容中的直流电变成频率与电网一致的交流电，汇入电网。

阳光和风取之不尽，用之不竭。不同于火电厂的滚滚浓烟，太阳能发电和风力发电默默工作，没有污染。而我们现在所能利用的太阳能和风能不足万一。如何充分的利用清洁能源是未来能源的发展方向。

日常生活中，我们最常能接触到电的地方是家里插座。你可能知道，插座里输出的电是220V/50Hz的交流电。世界上其他国家虽然电压和频率跟我国不尽相同，但是无一例外使用的都是交流电。仿佛日常用交流电是天经地义的事情，但为什么直流电不配拥有姓名？

其实在历史上，直流电也是有过拥趸的。直流电的头号迷弟，就是电灯泡之父爱迪生。当然交流电也有自己的粉丝——特斯拉（是物理学家特斯拉，不是电动汽车特斯拉）。他们在19世纪就应该推广直流电还是交流电有过一场世纪大战。大战的结果是交流党特斯拉战胜了直流党爱迪生，从此交流电成为世界电网的标配。

特斯拉为啥能赢呢？这是因为发电厂毕竟不能像便利店一样，每个小区都配一个。所以，发电厂往往建在远离居民区，甚至远离城市的地方，然后通过电线把电能引入千家万户。我们知道电能的传输导线是具有电阻的，而电阻会产生损耗，输电线损耗和电流的平方成正比。

P=IR²

如果电能要长距离运输的话，我们自然希望输电线路上的损耗越小越好，所以我们要尽可能的升高电压，减小电流。所以，在电厂附近，有需要用变压器把10kV的电压上升到几百kV，而在城镇周边再把几百kV的电压下降到10kV，再在小区周边，再降到220V。在爱迪生那个年代，交流电之所以能大获全胜，主要原因就是交流电可以通过变压器轻松的升压与降压，变压器的结构也很简单，原边和副边各用铜丝绕一个线圈，升降压的问题就解决了。但直流电的升降压就费劲了，需要我们前面介绍过的各种复杂拓扑。而19世纪，绝大部分的功率器件还没出道呢，所以直流电没法升压，线路上的损耗太大，太烧钱了，直流党只能黯然离场。所以说，我们现在常用交流电，并不是因为交流电有天生的优势，只是因为在过去的技术条件下，交流电用起来更方便，更经济。而现在功率器件的种类越来越多，性能也越来越好，使得高压直流输电成为可能。现在高压直流输电已经运用在长距离传输中，我们国家的特高压输电工程 最高可达1100kV！

从发电厂出来的交流电先通过变压器升压，然后通过换流阈转换为特高压直流电，经过远距离的输送，再通过逆变站转换为交流电，输入到交流电网。

换流阈的核心器件，是晶闸管、IGBT或者IGCT。

现在，电从遥远的电厂来到了我们身边。然而，电能的变换之旅还远远没有结束。

上一章我们讲到了全世界的电网虽然电压不同，但都是交流。麻烦的是，虽然电网里流的是交流电，但是大部分的用电设备需要的却是直流电。所以你的身边，充满了电能交直流变换的过程。下面我们就通过两个常见的例子，看看用电设备的电能转换是如何进行的。

首先我们来看看电动汽车的充电桩。给电池充电只能是直流电，而三相工业电网中流动的是380V交流电（不同于家用电网的220V交流电），那么充电桩是怎么把380V的交流电变成750V的直流电的呢？首先380V的交流电会经过一个整流电路，变成约500V的直流电。这时的直流电一来电压不够高，二来电压不能调节，所以还不能直接供给电池充电。整流得到的直流电进入一个逆变电路，把直流电变成频率极高的交流电。这个交流电是方波，通过调整高电平的占比，就能自如的调节等效电压啦。高频交流电再进入一个整流电路，最终变成250V~750V的输出电压，给汽车充电。

走出家门，出去旅行。北京到上海大概1300公里，乘坐高铁只要4个多小时就能到达，这是真正意义上的千里江陵一日还。时速300km的强劲动力，靠的也是IGBT。我们常常说:”火车跑得快，全靠车头带”，这句话，对高铁却是不适用的，因为高铁的动力在车厢里！也就是说，没有火车头，仅凭一个车厢也能跑起来。秘密就在车厢下面悬挂的变流器里。你能看到高铁车厢上长着长长天线，这叫做受电弓。

受电弓沿着高压电线滑行，获取电能。电能传送给车厢底部的变压器、变流器。接触网上的高压交流电，通过变压器降压和四象限整流器转换成直流电，在经过逆变器转换成可调压调频的交流电，输入三相异步/同步牵引电动机，通过传动系统带动车轮运行。变流器的核心器件，当然也是IGBT，而且是IGBT当中的老大，能随6500V电压的那种。