電力電子裝置設計與應用

1、14、交流電抗器 交流電抗器一般用于限制交流電流和濾波，為了有較好的線性度，有（鐵）心電抗的鐵心也應有適當?shù)臍庀丁＝涣麟娍蛊饕笥幸欢ǖ碾娍怪?，并有一允許通過的交流電流值 ，實際上有了這兩個數(shù)值，電抗器的壓降 也就一定了。交流電抗器的計算方法和變壓器相似，電抗器的體積與容量 的關系如下： fLx2LIxIULLLLIU鐵心截面積 （平方厘米）式中 為鐵心疊片系數(shù)，一般為0.890.93。BfNkUSSL44.4108Sk鐵心窗口面積Q與電流及線圈的關系為： （平方厘米）式中 窗口填充系數(shù)，一般為0.40.5； 電流密度，一般為1.62.4（ ）鐵心截面積與窗口面積的乘積為：QLjkNIQ Q

2、kj2/mmA)(44.41048cmjBkfkIUSQQSLL 由此可見，根據(jù)電抗器容量 的大小選擇適當?shù)蔫F心，其SQ乘積符合上式即可。 例如：選用B=12000高斯，j=200（安/平方厘米）， ， ，又假設Q=1.5S，則可求出鐵心截面積與容量的關系為：LLIU93. 0Sk45. 0QkLLLLLLLLLLIUIUSIUSIUIUS55.083.1135.323.245.093.0200120005044.4105.1282 鐵心截面求出后，即可求出所要求的線圈圈數(shù) 為了保證一定的電抗值，可適當增加一定的線圈匝數(shù)，再通過改變鐵心氣隙得到所需電抗值。SLkSBfUN44.410815、本

3、設計輸出濾波電抗器 根據(jù)第9、10節(jié)設計如圖所示三相逆變器輸出電路中，L的電感量約為185.333微亨L1CLRUoIL1 AIL467.1071長一、根據(jù)式jBKfKUISQQS44.4108其中： VfLIZIULLL057.5010333.1854002467.107261111長長48720.118160001204 . 089. 040044. 410467.107057.50cmSQ42 .13311354 . 62 . 3cmSQ注意：400HZ時，KS、j、B比50HZ時下降。 查表可選：400HZ CD3264130的鐵心。它的SQ為：導線截面積計算：2556.892 . 1

4、467.107mmS線查表選矩形截面玻璃絲包絕緣導線。匝數(shù)計算：查表可得這種鐵心的每伏匝數(shù)為，0.43匝525.2143. 0057.50N 根據(jù)實際情況，可選N=（2224）匝，在兩個心柱上各繞1112匝，裝配時，通過調整鐵心氣隙，得到所需的電感量。16、空心電抗器的計算 有些場合要求的電感量很小，或是要求較好的線性，這時可用空心電抗器?？招碾娍蛊鞯碾姼辛颗c線圈的幾何形狀及線圈匝數(shù)有關，可以根據(jù)通過電流的大小選擇一定的導線截面積，然后假設幾個尺寸大小（如 后圖）及線圈匝數(shù)進行試算，重復修改幾次，就可得到所需要的電感。多層線圈的計算公式如下：HDdllDDNL3 . 125022lDd式中 D

5、線圈的平均直徑（cm）線圈的平均高度（cm）d線圈的厚度（cm）N線圈匝數(shù)例：已知線圈N=500匝，D=16(cm)，d=3(cm)， =10(cm)l則電感為mHHL3 .3333300161033 . 110216501650022l 這個公式是近似的，計算結果與實際會有誤差，但對初步估算有用，實際應用時可通過實測校驗。17、主開關器件的保護 電力電子裝置主開關器件的保護主要在兩個方面：器件控制極保護；器件主開關極的保護；器件控制極保護 當今電力電子裝置中用的主開關器件以電壓型開關器件占主導地位（控制特性好，驅動功率小），但存在的問題是：控制極比電流型開關器件容易損壞，在設計安裝不合理時更

6、是如此。 IGBT、MOSFET都是最常用的電壓控制型開關器件。它們共同的特點是：控制極（柵極回路）都可以等效為一個電容器。柵極回路的擊穿電壓BVGS均為20V，一般使用中不超過15V，實用的典型柵極電路如圖所示：RgRgsW1W2Vgs Rg是柵極驅動限流電阻， Rg越小柵極獲得的瞬時驅動電流越大，開關器件的開關速度越快。 太小的Rg會造成驅動電路負荷過重，例如，驅動電路輸出電流峰值Ip=2(A)，輸出電壓VO=15(V)時，Rg小于7.5歐姆就可能造成驅動電路過載。 過快的開關速度對開關器件也不絕對有利，特別是關斷時，過快的速度會造成過大的dv/dt，對器件的可靠關斷不利。 Rg太大會造成

7、開關器件的開關過渡過程變長（功耗增加）同樣不利。 Rg具體大小可參考器件資料，一般電流容量越大的器件（Cgs大）Rg越小，電流容量越小的器件（Cgs?。㏑g越大。在實際電路中，可通過實驗在典型值附近調整。Rg1RgsW1W2VgsRg2 在要求開通和關斷時間常數(shù)不一樣的應用場合，可用右圖所示電路，由Rg1決定開通時間，Rg2決定關斷時間。 Rgs的大小與開關器件的反壓耐受力有關。 Rgs越小，開關器件關斷時能承受的反壓越高，但對驅動電路不利。因為電壓型開關器件驅動電路一般都按脈沖工況設計， Rgs過小時驅動電路實際上變成了連續(xù)工況。 Rgs一般可選在10K左右。 W1和W2為驅動電壓限幅二極管

8、，一般選1618V的穩(wěn)壓二極管，反串后具有1719V的雙向限幅特性，可防止驅動電壓超過20V。 以上元件在實際電路中應盡量靠近開關器件柵極以上元件在實際電路中應盡量靠近開關器件柵極布置，以便減少引線電感帶來的不利。布置，以便減少引線電感帶來的不利。器件主開關極的保護 主開關極的保護電路至關重要。最典型的電路原理如右圖所示。LRDC L和C是防止器件過高的di/dt和dv/dt的兩個關鍵元件（原理略）。 該電路缺點是，功耗大，R在開關管導通時要消耗C中所有的能量。fCUPCR221 原理上，當開關器件開通時，C上的電壓必須通過R放光，才能保證器件關斷時C對dv/dt的限制，這樣RC時間常數(shù)便導致

9、器件最小開通時間設計困難。例如：當C=0.1微法，UC=500伏，f=10KHZ時，R功耗便達到125瓦，三相電路有六個開關器件，僅這一項便要耗費750瓦。 開關管開通時，流過的電流是負載電流及R中電流的和，當R較小時，開關器件有可能承受過大的電流。一種較為理想的緩沖電路如圖所示：LRC1C2+ED1D2 其中L、R、C1、C2、D1、D2（僅標注一相）等元件為緩沖電路元件。T1T2AIZ-EZ 設某段時間內，負載電流如圖中IZ所示，大小不變。當T1開通時， IZ（紅色）經(jīng)電源正，L，T1流向負載Z； 當T1關斷后，IZ（黃色）經(jīng)電源正，L，D1，C1流向負載。UC1逐漸升高，T1的dv/dt

10、受到限制。A點電位逐漸下降，直至UA等于電源負，T2續(xù)流二級管導通。此時UC1=E，IC1變?yōu)榱悖琁Z（紫色）全部流過T2續(xù)流二級管。在此期間，T2可能處在觸發(fā)開通狀態(tài)，但電流仍流過T2的續(xù)流二極管。LRC1C2+ED1D2T1T2AIZ-EZIZLRC1C2+ED1D2T1T2AIZ-EZ 當T1再次導通時，T2續(xù)流二極管沒有關斷前，T1、T2的續(xù)流二極管處在同時導通狀態(tài)，此時，T1中的di/dt受到L的限制，以di/dt=E/L的恒定變化率增長。 當T2的續(xù)流二極管逐漸關斷后，IZ已逐漸轉移到了T1，此時UA電壓逐漸升高，其上升速率受到C1向C2放電過程的限制，直到C1向C2放電完畢，UA

11、才又等于E。 在此期間，放電電流IC（藍色），由L、C1諧振參數(shù)決定。IC C1向C2放電，必然使UC2上升，而當UC2E時，C2則經(jīng)過R向電源E饋送能量，因此該電路具有較高的效率。 該電路的特點：一個電容C1在充電和放電過程中限制了兩個開關管T1、T2的dv/dt，沒有最小開通時間限制，可回饋緩沖能量。元件計算：主開關器件每微秒電流上升率I:tLEILEtI如果 E=500V，L=10 H，t=1SSAI50101101050066則主開關器件每微秒電壓上升率：tCIu1SVu1000101101 . 010066如果I=100A，C1=0.1 f，t=1 S則C2一般?。?C2=（1520

12、）C1 R在幾十歐姆以下，時間常數(shù)RC2應與UC2脈動周期時間相當。本例中，UC2脈動周期為：SfTK722.3496003131 787. 5102310722.343662CTR實選：510歐姆即可。 逆變電路輸入端需要直流電源，一般情況下，該直流電源都由工頻電源經(jīng)整流濾波后得到。18、輸入濾波電路 整流電路輸出的是脈動直流電壓，即便是三相整流電路，輸出電壓波形如圖所示，其電壓波動仍然很大，對逆變電路不利，影響輸出電壓波形和穩(wěn)定性。 另外，整流電路只允許單向導電，無法提供反向電流通路，作為電壓型逆變電路來說是不允許的，基于以上原因，DC濾波電路成為必不可少的環(huán)節(jié)。1.35UL1.414UL

13、1.225UL DC濾波電路由L、C元件組成，如圖所示：CLUiUO 它是一個具有低通特性的二階電路。 為了設計該濾波電路，必須進一步分析了解逆變電路輸入端的能量流動情況。 以單相全橋電路為例，電路如圖所示： 設某段時間內IO方向如圖中所示，且大小基本恒定。T1T2T3T4IhILIOIiE+_ T1T4在這段時間內按下述方式工作： t0t1時間段，T1、T3導通， T2、T4關斷。電源沒有電流輸出，Ii=0。逆變電路上回路形成電流， Ih=I0。T1T2T3T4IhILIOIiE+_ABt0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6UAUBUABIi t1t2時間段，T1、T4導通， T2、T3關斷。電源輸出電流Ii，方向為電源正、 T1、A、B、T4、電源負。t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6UAUBUABIi t2t3時間段，T2、T4導通， T1、T3關斷。電源沒有電流輸出，Ii=0。