開(kāi)個(gè)新坑，記錄下新能源方面的學(xué)習(xí)過(guò)程；

能源是人類(lèi)永恒的需求，人類(lèi)的進(jìn)化史就是一部能源的利用史，從林中的人類(lèi)學(xué)會(huì)了使用火，從此成為地球的主宰；第一次工業(yè)革命誕生了蒸汽機(jī)，從此工廠(chǎng)的效率大大提升；第二次工業(yè)革命誕生了內(nèi)燃機(jī)，從此人類(lèi)開(kāi)始了星辰大海的征途；此后百年，再難突破，唯一的希望，在于半導(dǎo)體芯片技術(shù)。

談到芯片大家第一反應(yīng)是計(jì)算機(jī)和手機(jī)里面的CPU和存儲(chǔ)器；其實(shí)相比在信息產(chǎn)業(yè)；芯片在能源產(chǎn)業(yè)的重要程度一點(diǎn)也不遜色，百年未有之大變局，能源結(jié)構(gòu)，能源安全，首當(dāng)其沖；而能源芯片（功率半導(dǎo)體）正逐步走向舞臺(tái)中央。

對(duì)現(xiàn)代社會(huì)來(lái)說(shuō)，能源中最重要的是電能，對(duì)電能的制造和利用決定了一個(gè)國(guó)家的上限；但是對(duì)于電本身，是沒(méi)那么好駕馭的，電的使用條件極其苛刻，直流電有大小，而交流電則既有大小，還有方向（正負(fù)）。想要隨心所欲控制電能，談何容易。

如何把直流電（DC）轉(zhuǎn)化成交流電（AC）？

如圖，不管是方波，正弦波，三角波，都是交流電，特點(diǎn)是方向周期性改變，而直流電則是方向不變，如何進(jìn)行轉(zhuǎn)化？

為了簡(jiǎn)單理解，我們先從直流轉(zhuǎn)方波入手；

定義電流從左到右為正，t=0秒開(kāi)始我們閉合開(kāi)關(guān)S2和S3，斷開(kāi)S1和S4，如圖，我們看到，電流從電池的正級(jí)出發(fā)，沿著S2→負(fù)載→S3回到負(fù)極；那么負(fù)載上就流過(guò)正向的電流；

如果在t=1秒時(shí)我們斷開(kāi)S2和S3，閉合S1和S4，會(huì)發(fā)生什么？

這時(shí)電流依然從電池正極出發(fā)，首選遇到S2，不過(guò)S2是斷開(kāi)的，此路不通，S4是閉合的，那么電流只能從S4走，走過(guò)S4，發(fā)現(xiàn)S3也是斷開(kāi)的，又只能走負(fù)載和S1回到負(fù)極。此時(shí)流過(guò)負(fù)載的電流是從右到左，方向和之前正好相反，是負(fù)值。

然后在t=2s時(shí)再斷開(kāi)S1和S4，閉合S2和S3，t=3s時(shí)再斷開(kāi)S2和S3，閉合S1和S4。。。

聰明的你已經(jīng)猜到了，此時(shí)負(fù)載上的電流就是一個(gè)方波，周期為2s，一半時(shí)間為正，一半時(shí)間為負(fù)。

好的，方波我們實(shí)現(xiàn)了，那如何實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的正弦波呢？

這里需要介紹脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM：pulse width modulation）

這里利用了等效的工程思想，只要在每段足夠小的時(shí)間內(nèi)，等效方波的電流效果和正弦波是相同的，那么最終對(duì)負(fù)載而言，那都是正弦波。

如何等效呢？從上圖我們發(fā)現(xiàn)，核心思想就是調(diào)節(jié)每一段方波脈沖的寬度（就是控制每一段開(kāi)通和關(guān)斷的持續(xù)時(shí)間）。

通過(guò)精密的計(jì)算，我們巧妙低控制每一段脈沖的寬度（時(shí)長(zhǎng)），讓正弦波一開(kāi)始的時(shí)刻，脈沖寬度小一些，關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)一些，隨著正弦波接近波峰，我們把開(kāi)通時(shí)間放長(zhǎng)一些，隨著正弦波再次降下來(lái)，我們?cè)侔逊讲ǖ拿}寬調(diào)短一些，這樣，通過(guò)控制方波的脈寬，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)正弦波的等效；

圖中藍(lán)色線(xiàn)為等效的正弦波，可以看到還是有鋸齒，如果把每一段再劃分得密一些，比如1s內(nèi)發(fā)出10萬(wàn)個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖寬度都按照對(duì)應(yīng)正弦波的位置來(lái)調(diào)整，那么可以得到與正弦曲線(xiàn)幾乎完美對(duì)應(yīng)的效果。

好了現(xiàn)在只剩下一個(gè)問(wèn)題了，怎么實(shí)現(xiàn)？舉的例子里面是1s變一次方向，要知道我們一般家用電器都是50Hz，也就是一秒變50次方向，每0.02s變一次方向，而且在每個(gè)0.02s內(nèi)的值都是連續(xù)變化的，怎么用來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？總不能用手不停地?fù)荛_(kāi)關(guān)吧？

這個(gè)時(shí)候我們的功率半導(dǎo)體芯片出場(chǎng)了，最典型的是功率MOSFET，它的作用就是一個(gè)電子開(kāi)關(guān)！

如圖，開(kāi)關(guān)S1，S2，S3，S4被替換成了4個(gè)MOSFET芯片，MOSFET有個(gè)特點(diǎn)，就是它的開(kāi)通關(guān)斷是受到柵極控制的，因此，只需要提前編號(hào)制定的程序控制柵極，那么就能控制開(kāi)關(guān)順序，從而實(shí)現(xiàn)不同脈寬的方波信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦波的等效。

當(dāng)然MOSFET還有一個(gè)特點(diǎn)，就是開(kāi)關(guān)頻率可以做到特別快，能做到MHz的水平，也就是說(shuō)1s內(nèi)開(kāi)關(guān)幾百萬(wàn)次以上！試想一下，如此精細(xì)微小的脈沖寬度，最終作用在負(fù)載上的的效果幾乎就和原始的正弦波沒(méi)啥區(qū)別了！

以上就是直流電（DC）轉(zhuǎn)交流電（AC）的基本原理，本質(zhì)上是通過(guò)開(kāi)關(guān)的順序來(lái)完成電流方向的改變，通過(guò)開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間和斷開(kāi)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖寬度的控制，許許多多寬度不一的脈沖，對(duì)時(shí)間進(jìn)行平均等效，就得到了正弦波的效果。

審核編輯：湯梓紅