半导体都用直流电，发电厂送来交流电，但你知道这是为啥吗？

A-Lin

半导体都用直流电，发电厂送来交流电，但你知道这是为啥吗？

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我们现在在新时代，用电的电器已经不只是灯泡了，我们主要的用电器已经是手机了。现在人类仿佛抱着手机可以过一辈子。不要电灯、不需要冰箱、不需要洗衣机；手机搞定一切……手机内部的电池充放电都是直流电，很多用电器内部都是AD/DC，转成直流，再给半导体芯片供电，包括照明现在都是用LED了，用交流电供电也是要转成直流。

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最近在做个项目，涉及AC/DC电源设计，由于AC/DC由于功率增加带来了诸多麻烦，设计复杂度比DCDC要多得多，所以反问一个很基础的问题：为什么半导体都是用直流电，但是发电厂送来的都是交流电？

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而人类最早用电的需求就是来自照明，就跟在夜晚时候，一个灯泡就可以点亮黑暗，而不是跟古代人一样用昏暗的蜡烛来照明。所以这就让我们要感激当时在地球上发明了灯泡的爱迪生，他是在19世纪享誉盛名的天才发明家。

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而上帝就在他那个年代，放置了一个同样也是拥有几百项发明专利的青年才俊特斯拉，而他们两位就在相同的领域，并且每个人都具备大量发明专利的情况下，展开了一场世纪大战，那就是来自交流电跟直流电的纷争。

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而这就牵扯到这两位天才发明家在地球上的地位，所以在当时两者为了赢得全世界的赞誉都是煞费苦心，爱迪生代表了直流电这一边，而特斯拉就代表了交流电这一侧，曾经的交流电直流电之争在目前来看，当时还是相当精彩。

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当年那个电器大量开始出现的年代，爱迪生为了赢取大家的认可，不惜用交流电电死了一头健壮的牛，劝告人们要远离交流电，而最终的结果却出乎意料，那就是特斯拉代表的交流电赢了爱迪生的直流电。而这其中，这两种电究竟有何区别？

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流电跟直流电在本质上来说，其实就是方向跟大小这两者的问题，也就是说直流电就是一直大小不改变方向也不改变的电流，而交流电则就是会改变方向跟大小的电流，两者拥有如此巨大的差距，能够让特斯拉的交流电胜出，这是地球上科技发展的必然趋势。

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为在随着用电时代的到来，大部分地区都开始远距离输送电流，每家每户的电都是通过电厂在冗长的电线中输送过去，而在这样远距离的输送过程中，要是一直利用直流电来输送，不方便进行升压，如果用低压传输就会出现电力大量浪费的情况，不利于经济节约是小事，传输线会因为电流过大无法承载大功率的应用。

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随着电器数量越来越多，功率越来越大，传输距离越来越远的时代发展，直流电必然就不能够跟交流电相提并论，用交流电就是便利，只需要在电厂这里输出端降低电流，并且可以在中途输送过程中变换方向，完全就能够在长距离的输送上减少损耗，而即将达到用户端的时候，就可以适当变压，达到预期的电路效果。

然直流电在目前来说，虽然在远距离输送电流方面上不如交流电，依然还是能够在半导体材料中找到它的一席之地，这是交流电不能够替代的。

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上目前在全球提倡绿色低碳的角度上，在环境友好型的电子设备中，依然有着直流电发挥的地方，能够让很多设备兼容这种单向传递的直流电输送。

一项发明，在历史长河中是否具有生命力，取决于它的实用价值。例如拉链，被誉为最伟大的发明，其道理也基于此。

题主其实谈的是电能问题。

我们知道，电能包括发电、输送电、配电和用电四大过程。

1.发电和输送电的升压和降压

在发电和输送电的过程中，有一个关键的设备，就是变压器。

为何要用变压器来改变电压？

  U6 w0 f0 E! }" d& t我们知道，电能的传输导线是具有电阻的，传输导线所消耗的电能功率Pline为：

这里的I就是流过导线的电流。

可见，为了减小线路损耗，就要减小电流。事实上，输送电消耗掉的电能，占总发电电能的比例不可小觑。减小输送电的线路损耗，有很大的意义。

而要减小电流，最方便的就是利用变压器了。如果我们忽略掉变压器的各种损耗，例如铁损、铜损等等，则变压器两侧的功率基本相等。把变压器某侧的电压升高，该侧的电流自然就减小了。
2 \5 a; a( z9 J不过，变压器只能工作在交流电路中，不能工作在直流状态下。

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& s  D8 t0 D) F2 J& l% |$ B; W我们来看变压器的工作原理：

忽略变压器的损耗，则有：

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在这里，U1和I1是变压器一次侧的电压和电流，U2和I2是变压器二次侧的电压和电流，K是变比。

0 X* ?! N7 M3 }8 l; o8 d  i5 N我们看到，只要把U2提高，则I2自然就小了，于是在输配电线路的起始端，我们把电压给升高，在输配电线路的末端，我们再把电压给降下来。这样就减小了线路损耗。

交流传输线上的高压电和超高压电其用途就在于此。

- e( Y, z+ ?+ @% `我们看到，利用变压器，交流电压的高低变换何其方便。

但直流电可以升压吗？当然可以，但相对交流升压来说，要麻烦很多，且成本要高很多。除非是长距离输送电，否则不划算。

3 g1 n( j  ~- u7 D% [; \* t可见，在发电和输送电中，交流电比直流电要方便很多，成本也低廉很多。

不过，也不是说直流就没有优势。交流线路电阻与直流相比，还多了趋肤效应和邻近效应，因此同样的导线，交流线路电阻大于直流线路电阻。换句话说，其实交流的线路损耗大于直流的线路损耗。

也因此，采用直流长距离输送电，也是人们追求的目标之一。

% \+ Y! r: y8 q) ]) e2 X: P$ {我国在这方面走在世界前列，我国的世界首条±800kV的直流输电线路正在平稳高效安全地运行中。

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2.配电方面的问题

在输送电的末端，需要分配电能，这就需要使用配电电器。配电电器的主要元件是各类隔离开关和断路器。

对于开关电器来说，灭弧是个大问题。电弧会烧蚀触头，产生巨大的热冲击，严重影响到开关设备的稳定工作。

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/ m! h, O) O, d( W  q2 V交流电和直流电相比，每个周波有两次过零，而过零时，电弧也自动熄灭，所以交流电器的灭弧能力强于直流电器。

2 {5 \. K+ ?/ l6 I0 \- B& L2 R有一个参数，它描述的是电弧熄灭后电弧介质气体的恢复过程和恢复强度，用Ujf来表达；另外一个参数，它描述的是电弧熄灭后，电压上升过程和强度，用Uhf来表达。所谓介质气体的恢复，指的是气体从电弧的等离子状态恢复为正常气体状态，显然，它与时间有关，也与气体性质有关。

如果：

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也即，介质恢复强度大于电压恢复强度，则电弧将不会不重新燃烧。

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上图中，在时刻0，交流电弧过零熄灭。但过零后，Ujf2小于Uhf，所以交流电弧重燃；Ujf1>Uhf，所以交流电弧不再重燃，并且彻底地熄灭。

不过，直流电弧可没这么好，它根本就不会过零。

我们看下图：

上图是GIS复合开关，一般用于高压配电网。GIS看起来象一只只的锅炉，大筒子里就是开关，开关周围充满了六氟化硫气体。六氟化硫气体的特点是分子量大，非常稳定，绝缘性能特别好，所以用来在高压电器中加强灭弧，提高Ujf。

# p. x. }+ Q- I4 ]3 v7 x    不过，六氟化硫是温室气体。因此人们期望能找到一种气体替代它。真空就是一种好办法。

& p7 Y" u" B3 e2 y6 p1 ~4 x+ ?# `    可见灭弧是多么重要的一件事。在这方面，直流电比交流电要逊色多了。因此，同样的开关电器，用在直流就必须降容。为了改善直流开关电器的灭弧能力，人们在电弧烧蚀的材料中镀上一层特种膜，在高温烧烤下，能释放出类似六氟化硫的气体，以此提高介质恢复强度。

3.用电电器方面

在用电电器方面，最典型的就是交流鼠笼式异步电动机了。相对直流电机，它价格低廉，工作可靠，性能稳定，也无须更换碳刷。

# s; t* D' K7 B: k* F& ?! E因此，直流电机完全比不上交流电机的方便、实用和可靠，直流电机的应用面也要小很多。不可否认的是，直流电机的调速性能良好，但自从有了变频器，交流电机的调速问题也解决了，直流电机的优点也被削弱了。

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4.电源变换方面

交流电变成直流电，十分方便，采用整流电路就可以了。但直流电要变成交流电，需要配套逆变器，相对麻烦得多。

helendcany

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