電力電子關(guān)鍵器件設(shè)計(jì)

1、電力電子關(guān)鍵器件設(shè)計(jì)電力電子關(guān)鍵器件設(shè)計(jì)溫志偉溫志偉 2012年年9月月4日日2 電力電子關(guān)鍵器件電力電子關(guān)鍵器件 反激變換器工作原理反激變換器工作原理 電感設(shè)計(jì)電感設(shè)計(jì) 變壓器設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì) MOSMOS管設(shè)計(jì)管設(shè)計(jì) 二極管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì) 電容設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)3 電力電子關(guān)鍵器件電力電子關(guān)鍵器件 反激變換器工作原理反激變換器工作原理 電感設(shè)計(jì)電感設(shè)計(jì) 變壓器設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì) MOSMOS管設(shè)計(jì)管設(shè)計(jì) 二極管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì) 電容設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)4電力電子關(guān)鍵器件：開關(guān)器件電力電子關(guān)鍵器件：開關(guān)器件開關(guān)器件：同一種器件，多種封裝，開關(guān)器件：同一種器件，多種封裝，TO-247TO-247，TO-220TO-

2、220，DODO、模塊、模塊、SMDSMDIGBTMOSFET整流橋整流橋晶閘管晶閘管二極管二極管IGBT與與MOS管區(qū)別：驅(qū)動(dòng)、工作頻率、功率等級？管區(qū)別：驅(qū)動(dòng)、工作頻率、功率等級？5電力電子關(guān)鍵器件：無源元件電力電子關(guān)鍵器件：無源元件無源元件：外觀、封裝亦是多變無源元件：外觀、封裝亦是多變電感電感變壓器變壓器電容電容6電力電子關(guān)鍵器件：電力電子關(guān)鍵器件：PWM IC驅(qū)動(dòng)、保護(hù)驅(qū)動(dòng)、保護(hù)( (過過/ /欠壓、過流、過溫欠壓、過流、過溫) )電源實(shí)物電源實(shí)物 電力電子關(guān)鍵器件 反激變換器工作原理反激變換器工作原理 電感設(shè)計(jì) 變壓器設(shè)計(jì) MOS管設(shè)計(jì) 二極管設(shè)計(jì) 電容設(shè)計(jì)78反激變換器反激變換器

3、反激主電路反激主電路反激電路特點(diǎn)反激電路特點(diǎn)輸入電壓寬泛輸入電壓寬泛元件少，體積小，元件少，體積小，成本低成本低電路發(fā)展成熟、拓?fù)潇`活多變電路發(fā)展成熟、拓?fù)潇`活多變反激電路特點(diǎn)反激電路特點(diǎn)電源設(shè)計(jì)入門：完整掌握電源設(shè)計(jì)入門：完整掌握RCDRCD反激變換器設(shè)計(jì)，熟悉反激變換器設(shè)計(jì)，熟悉384X384X系列芯片系列芯片開關(guān)管電壓應(yīng)力大開關(guān)管電壓應(yīng)力大直流偏磁，磁芯損耗大直流偏磁，磁芯損耗大ZVS較難較難廣泛應(yīng)用于中小功率廣泛應(yīng)用于中小功率(1W1000W)、效率要求不高的場合、效率要求不高的場合效效率率不不高高9Fly-back 設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟CCM / DCM調(diào)制方式調(diào)制方式調(diào)頻、恒頻調(diào)頻、恒

4、頻拓?fù)溥x擇拓?fù)溥x擇效率要求效率要求成本要求成本要求輸入電壓范圍輸入電壓范圍開關(guān)管電壓應(yīng)力開關(guān)管電壓應(yīng)力拓?fù)溥x擇拓?fù)溥x擇工作模式工作模式開關(guān)管開關(guān)管磁性元件磁性元件吸收電路吸收電路控制回路控制回路參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)變壓器、電感設(shè)計(jì)變壓器、電感設(shè)計(jì)MOSFET、整流橋、二極管、整流橋、二極管輸入、輸出電容設(shè)計(jì)輸入、輸出電容設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)器件選型器件選型損耗計(jì)算損耗計(jì)算10CCM 狀態(tài)狀態(tài)1n=N2/N1二極管電壓應(yīng)力：電流公式：donpUITL 0DdUnUU狀態(tài)狀態(tài)1：T-ON11CCM 狀態(tài)狀態(tài)2 2輸入輸出關(guān)系：d0(1)/U DTUD Tn102d1NDNUUD0/TdUUUn開關(guān)管電

5、壓應(yīng)力：狀態(tài)狀態(tài)2：T-OFF輸入輸出關(guān)系為輸入輸出關(guān)系為nD/(1-D)，適應(yīng)寬范圍輸入電壓，適應(yīng)寬范圍輸入電壓12DCM 狀態(tài)狀態(tài)1狀態(tài)狀態(tài)1：T-ON和和CCM狀態(tài)狀態(tài)1相同，電感電流從相同，電感電流從0開始增加開始增加13DCM狀態(tài)狀態(tài)2 2狀態(tài)狀態(tài)2：T-OFF D-ON14DCM 狀態(tài)狀態(tài)3 3二極管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷（二極管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷（ZCS）一階電路，穩(wěn)定一階電路，穩(wěn)定狀態(tài)狀態(tài)3：T-OFF D-OFF變壓器體積大變壓器體積大電流尖峰大，損耗較大電流尖峰大，損耗較大15電路原路圖電路原路圖16 電力電子關(guān)鍵器件電力電子關(guān)鍵器件 反激變換器工作原理反激變換器工作原理 電感設(shè)計(jì)電感

6、設(shè)計(jì) 變壓器設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì) MOSMOS管設(shè)計(jì)管設(shè)計(jì) 二極管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì) 電容設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)17電感設(shè)計(jì)：磁芯電感設(shè)計(jì)：磁芯鐵氧體鐵氧體硅鋼片鐵硅鋁鐵鎳 合金非晶相對磁導(dǎo)率1000-10000-14/26/60/75/125/16014-550100-10000飽和磁密0.4-0.5T1.8T1.0T0.8T1.5T工作頻率200KHz50/60Hz200KHz200KHz100-300KHz直流偏置好差一般一般較好損耗極低大適中較低很低價(jià)格較低便宜中較高貴18磁芯規(guī)格磁芯規(guī)格環(huán)形、環(huán)形、EEEE、EIEI、ECEC、RMRM、PQPQ、平面、平面E E型型EEEE磁芯：成本低、制造簡單、大中

7、小功率都合適磁芯：成本低、制造簡單、大中小功率都合適PQPQ磁芯：耦合高、散熱好、繞線方便，成本適中磁芯：耦合高、散熱好、繞線方便，成本適中成本、窗口利用率、繞線難度、散熱、線圈耦合程度成本、窗口利用率、繞線難度、散熱、線圈耦合程度19電感設(shè)計(jì)電感設(shè)計(jì)32LmmmNINNNIIIRRemN IB AR meL INBA選擇磁芯材料：選擇磁芯材料：mLNAL選擇鐵氧體或鐵粉芯選擇磁芯：選擇磁芯：選擇環(huán)形、EE、EC、PQ、RM計(jì)算電感量：計(jì)算電感量：電感匝數(shù)電感匝數(shù)2：依據(jù)電路參數(shù)計(jì)算Lm電感匝數(shù)電感匝數(shù)1：B: 磁感應(yīng)強(qiáng)度，Ae磁芯截面積，AL: 每匝電感量20漆包線漆包線用途：用途：溫度：溫

8、度：形狀：形狀：漆包線分類漆包線分類單股線、多股線、利茲線單股線、多股線、利茲線Class A(130)，Class F(155) 、Class H(180)圓線、扁線圓線、扁線21線徑選擇線徑選擇7.6f cmf=65KHz導(dǎo)線選擇：7.60.3mm65000 最小導(dǎo)線直徑為：0.6mm集膚深度：電流密度：電流密度：依據(jù)散熱條件：依據(jù)散熱條件：1-10A/mm2, 5A/mm22mmISD22102mm5/ mmASA選擇直徑為選擇直徑為0.5mm*1022銅損銅損CuCudcCuLRSCu假定：工作頻率在假定：工作頻率在50150KHz，線徑選擇時(shí)已考慮集膚效應(yīng)，線徑選擇時(shí)已考慮集膚效應(yīng)C

9、uLCuS導(dǎo)線長度導(dǎo)線長度電阻率電阻率導(dǎo)線截面積導(dǎo)線截面積81.724 10mCu2CudcPI R精確計(jì)算銅損：將電流曲線傅里葉分解，基波和諧波依據(jù)肌膚效應(yīng)分別計(jì)算損耗精確計(jì)算銅損：將電流曲線傅里葉分解，基波和諧波依據(jù)肌膚效應(yīng)分別計(jì)算損耗0123( )sin()sin(2)sin(3)i tIItItIt22220112233+ CudcPIRI RIRIR23磁芯損耗磁芯損耗損耗損耗1 1：磁滯損耗：磁滯損耗損耗損耗2 2：渦流損耗：渦流損耗損耗損耗3 3：剩余損耗：剩余損耗磁疇：磁化前磁疇：磁化前 磁化磁化后后B-H 曲線曲線2eeePI R集膚效應(yīng)，磁密增加集膚效應(yīng)，磁密增加鐵氧體：鐵

10、氧體：100KHz，穿透深度，穿透深度18cm磁化或反磁化過程中，磁化狀態(tài)不是隨著磁磁化或反磁化過程中，磁化狀態(tài)不是隨著磁化強(qiáng)度變化而立即變化到它的最終狀態(tài)，而化強(qiáng)度變化而立即變化到它的最終狀態(tài)，而是需要一個(gè)過程，這個(gè)是需要一個(gè)過程，這個(gè)“時(shí)間效應(yīng)時(shí)間效應(yīng)” 便是便是引起剩余損耗的原因引起剩余損耗的原因磁芯損耗磁芯損耗24磁芯損耗計(jì)算磁芯損耗計(jì)算feP = B F鐵損與磁密、頻率成正比鐵損與磁密、頻率成正比feeP =VfepPC40，EE42，B=0.2，100KHz75KHz? PC40, r=1.28, a=1.487, b=2.7633feP =23cm0.07W/cm1.6W磁芯的最

11、低損耗一般設(shè)計(jì)在磁芯的最低損耗一般設(shè)計(jì)在80-10025銅損與鐵損平衡銅損與鐵損平衡meL INBAfeP = B FfeeP =Vfep2CudcPI R磁密磁密B：B增大，增大，N減少，銅損降低；同時(shí)單位磁損增大減少，銅損降低；同時(shí)單位磁損增大開關(guān)頻率：頻率降低，磁損減少；同時(shí)磁芯增大，開關(guān)頻率：頻率降低，磁損減少；同時(shí)磁芯增大，Lm增大，銅損增加增大，銅損增加銅損等于磁損時(shí)，總損耗最低銅損等于磁損時(shí)，總損耗最低26 電力電子關(guān)鍵器件電力電子關(guān)鍵器件 反激變換器工作原理反激變換器工作原理 電感設(shè)計(jì)電感設(shè)計(jì) 變壓器設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì) MOSMOS管設(shè)計(jì)管設(shè)計(jì) 二極管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì) 電容設(shè)計(jì)電容設(shè)

12、計(jì)27電路輸入輸出條件電路輸入輸出條件輸入交流電壓的范圍輸出功率輸入的電壓最大值效率90264Vrms30W374V0.8開關(guān)工作頻率輸出電壓輸入電壓的頻率最大占空比65KHz19V5060Hz0.45變壓器的作用：隔離，升降壓設(shè)計(jì)要求：體積小，低損耗占空比超過占空比超過0.50.5，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；RCDRCD反激效率一般為反激效率一般為0.8-0.90.8-0.928電感設(shè)計(jì)：電感計(jì)算電感設(shè)計(jì)：電感計(jì)算原邊電流原邊電流T T的平均值的平均值 Ton內(nèi)的平均電流內(nèi)的平均電流 0pdinr(min)pI =I =VpavgmaxII=D設(shè)滿載時(shí)的最小電流設(shè)滿載時(shí)的最小電流 0

13、MI最大電流最大電流 2MavgII原邊電流有效值原邊電流有效值 D2MLM0IDI =(t) dt=ID3原邊電感值原邊電感值 inr(min)rpVD TL =I反激變壓器實(shí)質(zhì)是個(gè)儲能電感反激變壓器實(shí)質(zhì)是個(gè)儲能電感29原副邊匝數(shù)原副邊匝數(shù)4102tpweuPAA ABfJKmaxPPpeI LNBAin(min)maxoutmaxVDN=V (1-D)psNNNAP法則確定磁芯大小法則確定磁芯大小確定匝比確定匝比原副邊匝數(shù)原副邊匝數(shù)原邊匝數(shù)副邊匝數(shù)30MOSFET datasheet額定電壓：額定電壓：30/45/60/100/150/200/300/400/600/650/800/900

14、/1000/1200V 需滿足降額，最高電壓為額定電壓的需滿足降額，最高電壓為額定電壓的0.70.9倍倍.額定電流：按照最大有效電流值額定電流：按照最大有效電流值Ief選擇，額定電流為選擇，額定電流為(1.52)Ief瞬態(tài)電流：瞬態(tài)電流：MOS管能承受的最大脈沖電流管能承受的最大脈沖電流通態(tài)電阻：通態(tài)電阻：Rdson越小越好，額定電壓越高，越小越好，額定電壓越高，Rdson越大；額定電流越大，越大；額定電流越大，Rdson越小越小 溫度越高，溫度越高， Rdson越大越大開通時(shí)間：開通時(shí)間：ton，Mos由截止到導(dǎo)通的過渡時(shí)間，越小越好由截止到導(dǎo)通的過渡時(shí)間，越小越好關(guān)斷時(shí)間：關(guān)斷時(shí)間：tof

15、f，Mos由導(dǎo)通到截止的過渡時(shí)間，越小越好由導(dǎo)通到截止的過渡時(shí)間，越小越好輸出電容：輸出電容：Coss，越小越好，與，越小越好，與Rdson矛盾矛盾31MOSMOS管管TodspikeUnVUV05.79 19110rUNVVV選擇600V應(yīng)力的MOS管(max)2642373inVV583TUVMOS管應(yīng)力計(jì)算公式輸入電壓最大值副邊電壓折算假設(shè)Vspike=100V32損耗計(jì)算損耗計(jì)算狀態(tài)狀態(tài)1 1：T-ONT-ON狀態(tài)狀態(tài)2 2：T-OFFT-OFFt0- : T關(guān)閉關(guān)閉t0t1: T從從OFF到到ON過渡，過渡，VDS逐漸下降，逐漸下降，IDS由由0逐漸上升逐漸上升t1t2: T處于導(dǎo)通

16、狀態(tài)，處于導(dǎo)通狀態(tài)，Mos相當(dāng)于一個(gè)小電阻相當(dāng)于一個(gè)小電阻Rdsont2t3: T從從OFF到到ON過渡，過渡，VDS逐漸上升，逐漸上升，IDS由由0逐漸下降逐漸下降t3t4: T處于截止?fàn)顟B(tài)，處于截止?fàn)顟B(tài)，DS間只有很小的漏電流，間只有很小的漏電流，uA級級MOSMOS管電壓、電流管電壓、電流33MOS損耗計(jì)算損耗計(jì)算2()()onDS on rmsDS ononPIRKD()(1)offDS offDSSonPVID_(_)(_)( )( )xToffonsDS offonDS offonPfVtItdt_(_)(_)( )( )xTon offsDS on offDS on offPfV

17、tItdtgsgsgsPVQf(_)12dsds offendosssPVCf導(dǎo)通損耗Pon截止損耗Poff開啟過程損耗Poff-on關(guān)斷過程損耗Pon_off驅(qū)動(dòng)損耗PgsPdsMOSMOS的結(jié)溫可到的結(jié)溫可到175175，一般設(shè)計(jì)其工作，一般設(shè)計(jì)其工作100100左右，查左右，查100100的的RdsonRdson零電流關(guān)斷零電流關(guān)斷ZCSZCS，零電壓開通，零電壓開通ZVSZVS34散熱器散熱器MOS管結(jié)溫能到管結(jié)溫能到175，一般讓一般讓MOS管工作在管工作在100220-AB,220-fullpackage，TO-24735 電力電子關(guān)鍵器件電力電子關(guān)鍵器件 反激變換器工作原理反激變

18、換器工作原理 電感設(shè)計(jì)電感設(shè)計(jì) 變壓器設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì) MOSMOS管設(shè)計(jì)管設(shè)計(jì) 二極管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì) 電容設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)36二極管二極管材料：材料：特性：特性：用途：用途：二極管分類二極管分類硅管，鍺管，碳化硅二極管硅管，鍺管，碳化硅二極管肖特基二極管，快恢復(fù)二極管肖特基二極管，快恢復(fù)二極管穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管等穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管等二極管二極管ZCSZCS，無反向恢復(fù)，無反向恢復(fù)開關(guān)特性開關(guān)特性反向恢復(fù)特性反向恢復(fù)特性37二極管關(guān)鍵參數(shù)二極管關(guān)鍵參數(shù)額定電壓：額定電壓：30/45/60/100/150/200/300/400/600/650/800/900/1000/1200V 需滿足降額

19、，最高電壓為額定電壓的需滿足降額，最高電壓為額定電壓的0.70.9倍倍.額定電流：按照最大平均電流值額定電流：按照最大平均電流值Ief選擇，額定電流為選擇，額定電流為(1.52)Ief瞬態(tài)電流：二極管能承受的最大脈沖電流瞬態(tài)電流：二極管能承受的最大脈沖電流正向壓降：正向壓降：Vf越小越好，額定電壓越高，越小越好，額定電壓越高， Vf越大；額定電流越大，越大；額定電流越大， Vf越小越小 溫度越高，溫度越高， Vf越小越小反向恢復(fù)時(shí)間：反向恢復(fù)時(shí)間：trr 越小越好越小越好38二極管耐壓二極管耐壓選擇100V應(yīng)力的二極管0max011937383.45.79DdUUU NV副邊二極管上承受的最大

20、反向電壓為:Uo+nUd39二極管損耗二極管損耗Vf-If曲線模擬Vf-If曲線0avDFPIV02468100.60.811.21.41.6I/AV/VVF100IF0D000( )( )TDFDPitvitdt0()FFDvvi估算：估算：準(zhǔn)確計(jì)算：準(zhǔn)確計(jì)算：反向恢復(fù)損耗自查資料反向恢復(fù)損耗自查資料40 電力電子關(guān)鍵器件電力電子關(guān)鍵器件 反激變換器工作原理反激變換器工作原理 電感設(shè)計(jì)電感設(shè)計(jì) 變壓器設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì) MOSMOS管設(shè)計(jì)管設(shè)計(jì) 二極管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì) 電容設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)41電容分類電容分類鋁電解電容：鋁電解電容：鉭電解電容：鉭電解電容：瓷片電容：瓷片電容：薄膜電容：薄膜電容：獨(dú)石電容：獨(dú)石電容：電容分類電容分類容值大，容值大，1uF1F，頻率特性差，損耗大，壽命短，用于直流濾波，頻率特性差，損耗大，壽命短，用于直流濾波容值較大，容值較大，0.1-1000uF，損耗、漏電小于鋁電解電容，損耗、漏電小于鋁電解電容 頻率特性好，容值小頻率特性好，容值小1pF-1uF，體積小，