电气化公路推动车用半导体和移动供电技术纵深发展——电源防反接电路与交错换向多相整流电路的关系

作者介绍

贾凤斌，毕业于四川大学计算机专业，网络工程师（软件），熟悉计算机、电子电器、电机、电动车、新能源等技术，在熟悉的技术领域有所创见，较深入研究了新型充电器、电动车充电技术和网络异步交易系统。

电源防反接电路与交错换向多相整流电路是一种特殊和普适的关系，它们的电气结构和应用方向有所差异，直流电源防反接电路主要适用于固定电器防反接（防插反）供电，交错换向多相整流电路主要适用于固定电器和移动电器移动供电（运动供电）

一、移动供电在21世纪成为重要供电方向进入21世纪后，由于生产方式大为进步、生活方式大大改善，为了更高效、更方便、更舒适地为移动电器（移动电气设备）充供电，移动供电逐渐成一种重要的主流供电方式。2008年底无线充电联盟（WPC）成立，由此拉开了消费电子无线充电发展的序幕。2009年1月9日，Palm在CES展会上公布其新一代操作系统webOS及首款无线充电手机Palm Pre，这就是雷军微博上大为赞赏的世界首款无线充电手机——胖梨。之后，夏普SH-13C、谷歌Nexus4和诺基亚Lumia920也加载无线充功能，但是无线仍然不温不火。直到2017年，苹果发布手机iPhoneX/iPhone8，无线充电行业真正爆发，开始走进寻常百姓家。

Palm Pre                       iPhoneX

不过，尽管无线充电技术惊艳一现，其发展仍然有点慢，为什么？因为是有三座大山一直挡在前面：一是输出功率太小，二是转换效率太低，三是制造成本太高，根本原因是：电磁耦合导致转换环节太多，感应线圈的有效充电间隙难以可靠维持。所以，无线充电技术并不适合大功率、高效率电力传输场景。

二、有名的直流电源防反接电路是谁发明的？

电池和电子设备都须用到直流电源，接入电源最怕的就是正负极接反，一旦正负极反接，将引发严重的短路故障，轻者元件损坏，重者引发爆燃事故。同理，部分交流电相位反接，也会引发严重短路事故或反转事故。正是这种投鼠忌器的原因，电器设备很难实现移动充电、自动充电，所以，一般重要电路都会使用公母插座、异型插头作为机械电气接口，为了进一步提高安全性还会增加防反接电路，以保护电子电气设备。

那么，这个直流电源防反接电路究竟是谁发明的呢？这个问题已经无法考证了，但是新型防反接电路还在不断被发明出来——人们迫切需要更高效的防反接电路。

目前，常用的防反接电路有三种：

一是二极管防反接电路，利用二极管单向导电性，实现防反接功能，这种方法简单，安全可靠，成本也最低，但是输出端会有0.7V左右的压降。

二极管防反接电路二是MOS管防反接电路，利用PMOS、NMOS管使用电压控制导通的特点，实现低压降、低功耗防反接。

MOS管防反接电路三是整流桥防反接电路，因为桥式整流电路无论输入端是什么级性，输出端都是预置的正负极输出——这个电路是无极性电源输入，由于该电路不再对电源的极性有要求，可实现电源的任意接法——这是它最大的优点。

整流桥防反接电路目前，因为直流设备数量越来越多，电源防反接电路应用越来越广泛，所以新型的防反接电路和新型的低压降、低功耗整流半导体层出不穷。

三、交错换向多相整流电路是针对移动充供电领域的特殊电路

无线充电器连接方便快捷，非常具有吸引力，但是功率太小、效率太低、成本太高。为此，人们希望用新的移动充电技术来模拟无线充电技术，新的移动充电装置可以解决小如手机、电动牙刷的快捷充电需求，也可解决大如电动车的移动充电需求。所以，移动充电电路存在较大需求：既要像无线充电那样使用方便，又要保证充电功率大、效率高。

（一）移动供电是一种积存多年的重要应用需求

事实上，西门子在1882年推出首台无轨电车之时，就使用集电杆双线供电，但是这种集电杆供电方式是使用“U”型触靴“刚性”连接架空接触线——本质上仍然是固定充电方式，并非无线充电那种柔性快捷连接方式，存在对位困难、连接不便、易脱落、有时会拉断接触线的问题，其应用并不广泛。不过，移动供电可以从电网中高效供电，它确实是一种积存多年且需求量巨大的应用需求——可谓源远流长。

1882年世界首台移动供电的西门子无轨电车

宇通E18双源无轨电车和传统集电杆（宇通公司传承西门子公司技术140年）

（二）直流电机换向技术对解决移动供电有重要参考意见

胶轮电动车的橡胶轮胎是绝缘的，因此电动车在行驶过程中，使用两个受电弓从两根电力线低成本持续供电是跨越三个世纪的技术难题，主要原因是：电流需要形成回路，但是胶轮电动车在运动中同时让两个受电弓和两根电线长时间保持有效接触是相当困难的——这就牵扯到移动供电技术。要解决这个难题，最好的办法就是使用一个受电弓从两根电力线上取电——但是在100多年前整流元件还比较落后的情况下来实现这个技术是极其困难的。

1、电气化公路和功率型移动供电推动移动供电技术发展

当无线充电开始大行其道，电动车时代来临之时，以电动车充供电需求为引领，人们开始考虑如何解决电动车大功率移动供电（行驶充电和自动充电）问题。西门子公司率先使用视频跟踪技术，通过计算机和自动控制设备，在电动卡车上实现“双受电弓——双接触线”行驶供电，这个方案就是来自德国和瑞典的电气化高速公路技术（eHighway），但是其成本还是太高、可靠性仍然不足。

2、用“机械换向+整流桥防反接电路”实现功率型移动供电

从研究直流电机换向器原理出发，人们注意到100多年前直流电机就是使用两个（或更多）电刷，通过换向器（整流子）实现电流在转子与电网之间传输——这就是电流换向原理，即在运动状态下通过换向器实现了一个整流子与多个电刷之间电流“动与静、正与负”的极性转换。因此，在一个受电弓上安装多个受电滑板，通过滑板换向复用，让一个受电弓上的多个受电滑板交替换向受电，或虚拟“双弓-双线”受电，从而实现电动车的“单弓-双线”受电，这就是机电式交错滑板换向共轨式受电弓原理——这个方案在2017年通过实验得以验证。它有两个关键环节：一是受电滑板交替换向受电环节，要求供电接触线的线间距约等于受电滑板长度的奇数倍；二是使用整流桥解决换向电路中电流方向突然转向问题——以整流电路实现电流无极性传输，这个就应用了前面所讲的无极性电路——整流桥防反接电路。

机电式交错滑板换向共轨式受电弓不过，这个办法仍然存在电流换向脉动大的缺点，虽然方案可行，还需解决商业应用问题。

3、发现交错换向多相整流电路

既然机电式换向存在电流冲击问题，那么使用电子元件换向能否改善换向环境呢？这就引出了电子换向受电弓方案，即交错换向多相整流电路。这是一个改进后的电子换向方案：应用“电子换向+滑板复用+多相整流”方案，让每一个滑板单独转接一组整流器，通过交错换向式受电滑板与多相整流器的换向和整流作用，迫使接触线传输的电流被分离到直流母线的正负极线路上，可从根本上解决了换向电流脉动大的问题。一般来说，整流器至少三相整流才能实现换向功能。总体上，交错换向多相整流电路包括两部分：交错换向电路、多相整流电路，前置电路负责机械电气换向，后置电路负责电流再次换向，这个也是与防反接电路的本质区别。

电子换向受电弓电气原理图

17相整流电子换向受电弓实物图电子换向受电弓是为电动车行驶充电、大功率移动充供电而设计，其优势在于受电弓对线快捷、电子换向电流无冲击、抗短路、可靠性高，一是解决了胶轮电动车在单受电弓、双接触线下可靠充供电的技术难题，实现充电桩通用化；二是解决了电动车充电接口兼容性问题，可实现自动对位充电，在简化充电设备后一个充供电网可同时向多台电动车供电；三是解决了电动车移动充电的技术难题，电动车可边行驶、边充电；四是实现了功率型移动电器设备在运动状态下供电。电子换向受电弓是用在电气化公路的关键性设备，如果用在手机、平板电脑、扫地机器人、无人机等移动电器终端的快捷供电场景——这个时候我们称其为万向充电器。万向充电器具有移动充供电能力，较之万能充电器和无线充电器有更好的复杂场景适应性。

手机万向充电器四、交错换向多相整流电路将推进移动供电技术、电气化公路和半导体快速发展交错换向多相整流电路有两个应用方向：一个是大功率移动供电应用，解决电动车行驶充电、自动充电需求；另一个是移动终端快捷充电应用，解决无人机、计算机自动充电需求。这两个应用方向都将推进移动供电技术、电气化公路快速发展，进而促进整流半导体产业升级换代。电子换向受电弓有四个应用方向：一是实现电气化公路构想（行驶充供电），大中型电动车“在线充电-边走边充”，或小型电动车临时在线充电——即时补能电动车充供电；二是实现电动车在停车场、街道边自动对位共享充供电，实现“即停即充”，能减少电池容量，成本低，从根本上解决充电桩数量不足问题；三是建立通用万向供电接口，可广泛应用于移动用电设备，比如：手机充电，机器人、无人机、无人驾驶车辆、移动电器自动充供电，家用和工业电器无插孔、线性安全供电；四是电气化铁路改良三相交流供电，由于电子换向受电弓是单弓对多线，因此可简化供电段设计和施工，实现普通市电三相工频交流电直接供电（如：A相使用铁轨，B、C两相来自接触网）。值得一提的是，为什么大发明家西门子、爱迪生当年没有彻底解决电气化公路的单弓受电问题呢？主要原因：一是百年前只有体积庞大的电子管和汞弧整流器，根本无法解决多相整流器件小型化问题，二是当时还不存在后来的燃油紧缺和环境保护需求。所以，这个问题的解决就延迟到半导体和整流技术非常成熟的21世纪。

汞弧整流器五、总结交错换向多相整流电路与电源防反接电路、电磁感应式无线充电电路有着密切联系，交错换向多相整流电路是对电源防反接电路的推广和普适，交错换向多相整流电路解决了电磁感应式无线充电电路在大功率、低成本应用方向上存在的问题。在交错换向多相整流电路大规模应用后，由于传统的硅整流半导体存在功耗高、压降大的缺点，今后需要升级和引入新型大功率、高电压等级且低功耗、低压降的半导体元件，将再次推动车用半导体技术的升级和进步。目前，基于氮化镓、碳化硅等宽禁带半导体已经大量生产和应用，宽禁带半导体具有高击穿电场、高热导率、高迁移率、高饱和电子速度、高电子密度、可承受大功率等特点，非常适合应用于交错换向多相整流电路，从而实现大规模移动充供电。相信，随着移动供电和电气化公路应用越来越广泛，交错换向多相整流电路将出现在更多应用场景，宽禁带半导体、MOS管也将迎来新的发展期。