電力電子裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)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(yīng)有適當(dāng)?shù)臍庀?。交流電抗器要求有一定的電抗?，并有一允許通過的交流電流值 ，實(shí)際上有了這兩個(gè)數(shù)值，電抗器的壓降 也就一定了。交流電抗器的計(jì)算方法和變壓器相似，電抗器的體積與容量 的關(guān)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(guān)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(dāng)?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(shè)Q=1.5S，則可求出鐵心截面積與容量的關(guān)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(dāng)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(shè)計(jì)輸出濾波電抗器 根據(jù)第9、10節(jié)設(shè)計(jì)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j(luò)BKfKUISQQS44.4108其中： VfLIZIULLL057.5010333.1854002467.107261111長長48720.118160001204 . 089. 040044. 410467.107057.50cmSQ42 .13311354 . 62 . 3cmSQ注意：400HZ時(shí)，KS、j、B比50HZ時(shí)下降。 查表可選：400HZ CD3264130的鐵心。它的SQ為：導(dǎo)線截面積計(jì)算：2556.892 . 1

4、467.107mmS線查表選矩形截面玻璃絲包絕緣導(dǎo)線。匝數(shù)計(jì)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(shí)際情況，可選N=（2224）匝，在兩個(gè)心柱上各繞1112匝，裝配時(shí)，通過調(diào)整鐵心氣隙，得到所需的電感量。16、空心電抗器的計(jì)算 有些場(chǎng)合要求的電感量很小，或是要求較好的線性，這時(shí)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(guān)，可以根據(jù)通過電流的大小選擇一定的導(dǎo)線截面積，然后假設(shè)幾個(gè)尺寸大?。ㄈ?后圖）及線圈匝數(shù)進(jìn)行試算，重復(fù)修改幾次，就可得到所需要的電感。多層線圈的計(jì)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(gè)公式是近似的，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際會(huì)有誤差，但對(duì)初步估算有用，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可通過實(shí)測(cè)校驗(yàn)。17、主開關(guān)器件的保護(hù) 電力電子裝置主開關(guān)器件的保護(hù)主要在兩個(gè)方面：器件控制極保護(hù)；器件主開關(guān)極的保護(hù)；器件控制極保護(hù) 當(dāng)今電力電子裝置中用的主開關(guān)器件以電壓型開關(guān)器件占主導(dǎo)地位（控制特性好，驅(qū)動(dòng)功率?。?，但存在的問題是：控制極比電流型開關(guān)器件容易損壞，在設(shè)計(jì)安裝不合理時(shí)更

6、是如此。 IGBT、MOSFET都是最常用的電壓控制型開關(guān)器件。它們共同的特點(diǎn)是：控制極（柵極回路）都可以等效為一個(gè)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(shí)用的典型柵極電路如圖所示：RgRgsW1W2Vgs Rg是柵極驅(qū)動(dòng)限流電阻， Rg越小柵極獲得的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)電流越大，開關(guān)器件的開關(guān)速度越快。 太小的Rg會(huì)造成驅(qū)動(dòng)電路負(fù)荷過重，例如，驅(qū)動(dòng)電路輸出電流峰值Ip=2(A)，輸出電壓VO=15(V)時(shí)，Rg小于7.5歐姆就可能造成驅(qū)動(dòng)電路過載。 過快的開關(guān)速度對(duì)開關(guān)器件也不絕對(duì)有利，特別是關(guān)斷時(shí)，過快的速度會(huì)造成過大的dv/dt，對(duì)器件的可靠關(guān)斷不利。 Rg太大會(huì)造成

7、開關(guān)器件的開關(guān)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小）Rg越大。在實(shí)際電路中，可通過實(shí)驗(yàn)在典型值附近調(diào)整。Rg1RgsW1W2VgsRg2 在要求開通和關(guān)斷時(shí)間常數(shù)不一樣的應(yīng)用場(chǎng)合，可用右圖所示電路，由Rg1決定開通時(shí)間，Rg2決定關(guān)斷時(shí)間。 Rgs的大小與開關(guān)器件的反壓耐受力有關(guān)。 Rgs越小，開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)能承受的反壓越高，但對(duì)驅(qū)動(dòng)電路不利。因?yàn)殡妷盒烷_關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路一般都按脈沖工況設(shè)計(jì)， Rgs過小時(shí)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上變成了連續(xù)工況。 Rgs一般可選在10K左右。 W1和W2為驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電壓超過20V。 以上元件在實(shí)際電路中應(yīng)盡量靠近開關(guān)器件柵極以上元件在實(shí)際電路中應(yīng)盡量靠近開關(guān)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(guān)極的保護(hù) 主開關(guān)極的保護(hù)電路至關(guān)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(gè)關(guān)鍵元件（原理略）。 該電路缺點(diǎn)是，功耗大，R在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)要消耗C中所有的能量。fCUPCR221 原理上，當(dāng)開關(guān)器件開通時(shí)，C上的電壓必須通過R放光，才能保證器件關(guān)斷時(shí)C對(duì)dv/dt的限制，這樣RC時(shí)間常數(shù)便導(dǎo)致

9、器件最小開通時(shí)間設(shè)計(jì)困難。例如：當(dāng)C=0.1微法，UC=500伏，f=10KHZ時(shí)，R功耗便達(dá)到125瓦，三相電路有六個(gè)開關(guān)器件，僅這一項(xiàng)便要耗費(fèi)750瓦。 開關(guān)管開通時(shí)，流過的電流是負(fù)載電流及R中電流的和，當(dāng)R較小時(shí)，開關(guān)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(biāo)注一相）等元件為緩沖電路元件。T1T2AIZ-EZ 設(shè)某段時(shí)間內(nèi)，負(fù)載電流如圖中IZ所示，大小不變。當(dāng)T1開通時(shí)， IZ（紅色）經(jīng)電源正，L，T1流向負(fù)載Z； 當(dāng)T1關(guān)斷后，IZ（黃色）經(jīng)電源正，L，D1，C1流向負(fù)載。UC1逐漸升高，T1的dv/dt

10、受到限制。A點(diǎn)電位逐漸下降，直至UA等于電源負(fù)，T2續(xù)流二級(jí)管導(dǎo)通。此時(shí)UC1=E，IC1變?yōu)榱?，IZ（紫色）全部流過T2續(xù)流二級(jí)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(dāng)T1再次導(dǎo)通時(shí)，T2續(xù)流二極管沒有關(guān)斷前，T1、T2的續(xù)流二極管處在同時(shí)導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)，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(dāng)T2的續(xù)流二極管逐漸關(guān)斷后，IZ已逐漸轉(zhuǎn)移到了T1，此時(shí)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(lán)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(dāng)UC2E時(shí)，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(diǎn)：一個(gè)電容C1在充電和放電過程中限制了兩個(gè)開關(guān)管T1、T2的dv/dt，沒有最小開通時(shí)間限制，可回饋緩沖能量。元件計(jì)算：主開關(guān)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(guān)器件每微秒電壓上升率：tCIu1SVu1000101101 . 010066如果I=100A，C1=0.1 f，t=1 S則C2一般取： C2=（1520

12、）C1 R在幾十歐姆以下，時(shí)間常數(shù)RC2應(yīng)與UC2脈動(dòng)周期時(shí)間相當(dāng)。本例中，UC2脈動(dòng)周期為：SfTK722.3496003131 787. 5102310722.343662CTR實(shí)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(dòng)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(dòng)仍然很大，對(duì)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?qū)щ?，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(gè)具有低通特性的二階電路。 為了設(shè)計(jì)該濾波電路，必須進(jìn)一步分析了解逆變電路輸入端的能量流動(dòng)情況。 以單相全橋電路為例，電路如圖所示： 設(shè)某段時(shí)間內(nèi)IO方向如圖中所示，且大小基本恒定。T1T2T3T4IhILIOIiE+_ T1T4在這段時(shí)間內(nèi)按下述方式工作： t0t1時(shí)間段，T1、T3導(dǎo)通， T2、T4關(guān)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(shí)間段，T1、T4導(dǎo)通， T2、T3關(guān)斷。電源輸出電流Ii，方向?yàn)殡娫凑?T1、A、B、T4、電源負(fù)。t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6UAUBUABIi t2t3時(shí)間段，T2、T4導(dǎo)通， T1、T3關(guān)斷。電源沒有電流輸出，Ii=0。