電力電子學圖鑑：電的原理、運作機制、生活應用……從零開始看懂推動世界的科技！

前言

2007年，有志之士在「Cool Earth 50」計畫中提出，為了對抗地球暖化，必須開發21種革命性的技術。這些技術中，不僅許多與太陽能發電、電動車等電力電子學領域有關，甚至「電力電子學」本身就被列為其中一項技術。這可以說是宣告了電力電子學時代的到來。
在那之後過了十多年，電力電子學的相關產品在我們的周圍已隨處可見。另一方面，AI與IoT已成為了這個世界的關鍵字，是驅動社會進步的重要技術。這些技術投入市場時，軟體是不可或缺的工具，但光靠軟體並不夠，還需要提供電力，產品才動得起來。而在提供電力時，就會用到電力電子學。譬如要有馬達才能讓機器運轉，而在控制馬達的運轉情況時，電力電子學是不可或缺的知識。所以說，為了維持現代生活與社會運轉，電力電子學可以說是必要技術。
雖然電子電力學如此重要，但就連電學專家也常覺得「電力電子學很難，根本看不懂」。我認為這是因為，從以前開始，電力電子學就沒有建立起一套完整的技術或學問體系。隨著整體社會的發展，為了製造出更好的產品，技術也會一直革新。所以即使學生們閱讀過去的專業書籍或教科書，也很難跟得上現實中的電力電子產品。
在這樣的背景下，我以「讓不是電學專家的人們，也能理解電力電子學」為目標，寫下了這本說明電力電子學的書籍。為了讓覺得「不知道電學在講什麼」、「電又看不到，根本沒興趣」的人們理解電力電子學，我會從與電力電子有關的電學基礎開始，一直到實際的應用，盡可能地仔細說明一切相關學問。
如果本書能讓更多人瞭解電力電子學是什麼，並進一步喜歡上電子電力學，那就太棒了。

2020年10月
森本雅之

前言

2007年，有志之士在「Cool Earth 50」計畫中提出，為了對抗地球暖化，必須開發21種革命性的技術。這些技術中，不僅許多與太陽能發電、電動車等電力電子學領域有關，甚至「電力電子學」本身就被列為其中一項技術。這可以說是宣告了電力電子學時代的到來。
在那之後過了十多年，電力電子學的相關產品在我們的周圍已隨處可見。另一方面，AI與IoT已成為了這個世界的關鍵字，是驅動社會進步的重要技術。這些技術投入市場時，軟體是不可或缺的工具，但光靠軟體並不夠，還需要提供電力，產品才動得起來。而在提供電力時，就會用到電力電...

第0章 電力電子學究竟是什麼
0-1 電力電子學與電子學有什麼差別？
電力電子學的核心在於電力的控制
0-2 電力控制與能量控制
將電力轉換成熱能、化學能、動能
0-3 電力電子學有什麼用？ 日常生活中的電力電子學
0-4 與電子電力學有關的人們 從一般人到專家

第1章 直流與交流、電壓與電流（電力的基礎）
1-1 電流 電子的移動會形成電流
1-2 電動勢與電壓 電流由電動勢驅動
1-3 電流與電壓的關係 歐姆定律就是那麼美妙
1-4 電阻與電阻率 電阻表示電流流過的難度！
1-5 電流三效應 電能應用的基礎
1-6 神奇的磁力 介紹磁場、磁通量、永久磁石的基礎
1-7 直流與交流的差異 兩種不同的電流流動方式

第2章 線圈與電容（電路的基礎）
2-1 線圈內的電流 累積能量
2-2 電磁感應 以磁力催發出的電力
2-3 電感 表示感應起電的大小
2-4 操控線圈的能量
以ON／OFF使線圈累積／釋出能量
2-5 電容 運用絕緣體製作巧妙的機關
2-6 於線圈與電容上施加交流電壓
重點在電壓與電流方向的差異
2-7 電抗與阻抗
以頻率改變電流流過的難度
2-8 以阻抗表示交流電路 用虛數表示會方便許多！
2-9 交流電的功率 想知道真正的功率

第3章 電力電子的基礎
3-1 開關模式電源 咚咚咚地調整電壓
3-2 線圈的功能 製造出平滑電路以防止電流中斷
3-3 電容的功能 降低電流的漣波
3-4 降壓截波器 降低電壓的基本電路
3-5 升壓截波器 提升電壓的基本電路
3-6 DC-DC變換器 改變直流電電壓
3-7 逆變器 將直流電轉換成交流電

第4章 功率元件的運作機制
4-1 理想開關與半導體開關 理想與現實的差異
4-2 功率元件是什麼 以小控制大
4-3 二極體與閘流體 使電流單向通行的方法
4-4 雙極性電晶體 關鍵在三層結構與基極
4-5 功率MOSFET 以電壓控制電路
4-6 IGBT 最常看到的功率元件的運作機制
4-7 不同功率元件的用途 分別用於控制電壓、電流、運作速度
4-8 功率元件的冷卻 若不冷卻就無法繼續使用

第5章 電力電子學的主角「逆變器」
5-1 二極體與電容 瞭解逆變器的電路
5-2 三相逆變器 星形或三角形
5-3 交流電的頻率與相位 再次說明交流電的基礎
5-4 PWM控制 把方形變成圓形

第6章 逆變器的使用方式
6-1 用電分項 哪個東西用了多少電
6-2 以逆變器驅動馬達 節能與逆變器間的密切關係
6-3 各種馬達 交流電馬達、直流電馬達
6-4 直流電馬達 首先複習一下馬達的基礎知識
6-5 交流電馬達 使用三相交流電的馬達
6-6 感應馬達 使用旋轉磁場的馬達
6-7 同步馬達 低轉速高效率的馬達
6-8 無刷馬達 以電力電子學控制的無刷馬達！
6-9 向量控制 活用弗萊明左手定則
6-10 電力調節器 把逆變器當做交流電源
6-11 PWM變換器 把逆變器當做整流電路

第7章 家庭內的電力電子
7-1 冷氣 最貼近我們的電力電子學
7-2 冰箱 運用電力電子學來智慧節能
7-3 洗衣機 用逆變器降低音量的電力電子學
7-4 吸塵器 用逆變器製造氣旋
7-5 微波爐 運用電力電子學任立改變加熱輸出
7-6 IH 用渦電流做料理！
7-7 照明 運用電力電子學點燈
7-8 AC配接器與充電器 看起來很像其實大有不同
7-9 資訊傳輸裝置、影像播放裝置 支撐著敏感複雜的ICT、IoT
7-10 家用太陽能發電與能量農場
沒有電力電子學就做不起來
7-11 HEMS與智慧電網 管理家庭內的能源

第8章 交通工具與電子電力學
8-1 鐵道車輛 鐵道是電子電力學的優等生
8-2 新幹線 走在電子電力學的尖端
8-3 線性馬達牽引車 把轉子變成定子！
8-4 電動車 運用電力電子學原理開發出來的電動車
8-5 油電混合車 減少能量浪費的運作機制
8-6 引擎車的電子電力學 汽車可以說是功率元件的結晶
8-7 船與飛機 未來將改以電力驅動
8-8 其他交通工具 現在每個都是電力驅動

第9章 電力系統的電力電子學
9-1 頻率變換設備 從60到50、從50到60
9-2 無效電力調整 支撐供電的機制
9-3 諧波 畸變波的原因
9-4 直流供電 海底電纜是直流供電
9-5 風力發電 蒐集風力
9-6 調整電力需求 為了蓄積電力而下的工夫
9-7 蓄電系統 調整需求的王牌

第10章 製造業的電力電子學
10-1 加熱的電力電子學 有效率地運用熱能
10-2 「創造」與「削減」電力電子學 細微調整就交給它
10-3 工廠自動化的電力電子學 自動化的機制
10-4 工廠設備的電力電子學 現在幾乎都是電動

第11章 社會生活的電力電子學
11-1 日常生活與電力電子學 沒有電力的話就無法生活
11-2 自來水 以電力電子學實現節能
11-3 天然氣、燃燒垃圾 壓縮機與鼓風機
11-4 區域供熱供冷系統 實現熱電共生
11-5 通訊、資訊處理 需要穩定供電
11-6 寬能隙半導體
備受期待的非矽半導體
11-7 智慧社會 透過電力電子實現的「智慧」社會
索引

第0章 電力電子學究竟是什麼
0-1 電力電子學與電子學有什麼差別？
電力電子學的核心在於電力的控制
0-2 電力控制與能量控制
將電力轉換成熱能、化學能、動能
0-3 電力電子學有什麼用？ 日常生活中的電力電子學
0-4 與電子電力學有關的人們 從一般人到專家

第1章 直流與交流、電壓與電流（電力的基礎）
1-1 電流 電子的移動會形成電流
1-2 電動勢與電壓 電流由電動勢驅動
1-3 電流與電壓的關係 歐姆定律就是那麼美妙
1-4 電阻與電阻率 電阻表示電流流過的難度！
1-5 電流三效應 電能應用的基礎
1-6 神奇的磁力 介紹磁場、磁...