电力电子装置设计与应用汇编

1、14、交流(jioli)电抗器 交流电抗器一般用于限制交流电流和滤波，为了有较好的线性度，有（铁）心电抗的铁心也应有适当的气隙。交流电抗器要求有一定的电抗值 ，并有一允许通过的交流电流值 ，实际上有了这两个数值，电抗器的压降 也就一定了。交流电抗器的计算方法和变压器相似，电抗器的体积与容量 的关系(gun x)如下： 铁心截面积 （平方厘米）式中 为铁心叠片系数，一般为0.890.93。共二十八页铁心窗口面积Q与电流及线圈的关系为： （平方厘米）式中 窗口填充系数(xsh)，一般为0.40.5； 电流密度，一般为1.62.4（ ）铁心截面积与窗口面积的乘积为：共二十八页 由此可见，根据电抗器容

2、量 的大小选择适当的铁心(ti xn)，其SQ乘积符合上式即可。 例如：选用B=12000高斯，j=200（安/平方厘米）， ， ，又假设Q=1.5S，则可求出铁心截面积与容量的关系为：共二十八页 铁心截面求出后，即可求出所要求的线圈圈数 为了保证一定的电抗值，可适当(shdng)增加一定的线圈匝数，再通过改变铁心气隙得到所需电抗值。共二十八页15、本设计(shj)输出滤波电抗器 根据第9、10节设计(shj)如图所示三相逆变器输出电路中，L的电感量约为185.333微亨L1CLRUoIL1一、根据式其中：共二十八页注意(zh y)：400HZ时，KS、j、B比50HZ时下降。 查表可选：40

3、0HZ CD3264130的铁心(ti xn)。它的SQ为：导线截面积计算：查表选矩形截面玻璃丝包绝缘导线。共二十八页匝数计算(j sun)：查表可得这种铁心的每伏匝数为，0.43 根据实际情况，可选N=（2224）匝，在两个心柱上各绕1112匝，装配(zhungpi)时，通过调整铁心气隙，得到所需的电感量。共二十八页共二十八页16、空心(kng xn)电抗器的计算 有些场合要求的电感量很小，或是要求较好的线性，这时可用空心电抗器。空心电抗器的电感量与线圈的几何形状及线圈匝数有关，可以根据通过电流的大小选择一定的导线截面积，然后假设几个尺寸大小（如 后图）及线圈匝数进行(jnxng)试算，重复

4、修改几次，就可得到所需要的电感。共二十八页多层线圈(xinqun)的计算公式如下：Dd式中 D线圈的平均(pngjn)直径（cm）线圈的平均高度（cm）d线圈的厚度（cm）N线圈匝数例：已知线圈N=500匝，D=16(cm)，d=3(cm)， =10(cm)则电感为共二十八页 这个(zh ge)公式是近似的，计算结果与实际会有误差，但对初步估算有用，实际应用时可通过实测校验。17、主开关器件(qjin)的保护 电力电子装置主开关器件的保护主要在两个方面：器件控制极保护；器件主开关极的保护；器件控制极保护 当今电力电子装置中用的主开关器件以电压型开关器件占主导地位（控制特性好，驱动功率小），但存

5、在的问题是：控制极比电流型开关器件容易损坏，在设计安装不合理时更是如此。共二十八页 IGBT、MOSFET都是最常用的电压控制型开关器件。它们共同的特点是：控制极（栅极回路）都可以等效(dn xio)为一个电容器。栅极回路(hul)的击穿电压BVGS均为20V，一般使用中不超过15V，实用的典型栅极电路如图所示：RgRgsW1W2Vgs Rg是栅极驱动限流电阻， Rg越小栅极获得的瞬时驱动电流越大，开关器件的开关速度越快。 太小的Rg会造成驱动电路负荷过重，例如，驱动电路输出电流峰值Ip=2(A)，输出电压VO=15(V)时，共二十八页Rg小于7.5欧姆就可能造成驱动电路(dinl)过载。 过

6、快的开关(kigun)速度对开关(kigun)器件也不绝对有利，特别是关断时，过快的速度会造成过大的dv/dt，对器件的可靠关断不利。 Rg太大会造成开关器件的开关过渡过程变长（功耗增加）同样不利。 Rg具体大小可参考器件资料，一般电流容量越大的器件（Cgs大）Rg越小，电流容量越小的器件（Cgs小）Rg越大。在实际电路中，可通过实验在典型值附近调整。共二十八页Rg1RgsW1W2VgsRg2 在要求开通和关断时间常数不一样(yyng)的应用场合，可用右图所示电路，由Rg1决定开通时间，Rg2决定关断时间。 Rgs的大小与开关器件的反压耐受力有关。 Rgs越小，开关器件关断时能承受的反压越高，

7、但对驱动电路不利(bl)。因为电压型开关器件驱动电路一般都按脉冲工况设计， Rgs过小时驱动电路实际上变成了连续工况。 Rgs一般可选在10K左右。共二十八页 W1和W2为驱动电压限幅二极管，一般选1618V的稳压二极管，反串后具有(jyu)1719V的双向限幅特性，可防止驱动电压超过20V。 以上元件在实际电路中应尽量靠近(kojn)开关器件栅极布置，以便减少引线电感带来的不利。器件主开关极的保护 主开关极的保护电路至关重要。最典型的电路原理如右图所示。LRDC L和C是防止器件过高的di/dt和dv/dt的两个关键元件（原理略）。共二十八页 该电路缺点(qudin)是，功耗大，R在开关管导

8、通时要消耗C中所有的能量。 原理(yunl)上，当开关器件开通时，C上的电压必须通过R放光，才能保证器件关断时C对dv/dt的限制，这样RC时间常数便导致器件最小开通时间设计困难。例如：当C=0.1微法，UC=500伏，f=10KHZ时，R功耗便达到125瓦，三相电路有六个开关器件，仅这一项便要耗费750瓦。 开关管开通时，流过的电流是负载电流及R中电流的和，当R较小时，开关器件有可能承受过大的电流。共二十八页一种较为理想的缓冲(hunchng)电路如图所示：LRC1C2+ED1D2 其中L、R、C1、C2、D1、D2（仅标注一相）等元件(yunjin)为缓冲电路元件(yunjin)。T1T2

9、AIZ-EZ共二十八页 设某段时间内，负载电流如图中IZ所示，大小不变。当T1开通时， IZ（红色(hngs)）经电源正，L，T1流向负载Z； 当T1关断后，IZ（黄色）经电源正，L，D1，C1流向负载。UC1逐渐升高，T1的dv/dt受到限制。A点电位逐渐下降(xijing)，直至UA等于电源负，T2续流二级管导通。此时UC1=E，IC1变为零，IZ（紫色）全部流过T2续流二级管。在此期间，T2可能处在触发开通状态，但电流仍流过T2的续流二极管。LRC1C2+ED1D2T1T2AIZ-EZIZ共二十八页LRC1C2+ED1D2T1T2AIZ-EZ 当T1再次导通时，T2续流二极管没有关断前，

10、T1、T2的续流二极管处在同时导通状态，此时，T1中的di/dt受到L的限制(xinzh)，以di/dt=E/L的恒定变化率增长。 当T2的续流二极管逐渐(zhjin)关断后，IZ已逐渐转移到了T1，此时UA电压逐渐升高，其上升速率受到C1向C2放电过程的限制，直到C1向C2放电完毕，UA才又等于E。 在此期间，放电电流IC（蓝色），由L、C1谐振参数决定。IC共二十八页 C1向C2放电(fng din)，必然使UC2上升，而当UC2E时，C2则经过R向电源E馈送能量，因此该电路具有较高的效率。 该电路的特点：一个电容C1在充电和放电过程中限制(xinzh)了两个开关管T1、T2的dv/dt，

11、没有最小开通时间限制(xinzh)，可回馈缓冲能量。元件计算：主开关器件每微秒电流上升率I:如果 E=500V，L=10 H，t=1S则共二十八页主开关器件(qjin)每微秒电压上升率：如果(rgu)I=100A，C1=0.1 f，t=1 S则C2一般取： C2=（1520）C1 R在几十欧姆以下，时间常数RC2应与UC2脉动周期时间相当。本例中，UC2脉动周期为：共二十八页实选：510欧姆(u m)即可。共二十八页 逆变电路输入(shr)端需要直流电源，一般情况下，该直流电源都由工频电源经整流滤波后得到。18、输入(shr)滤波电路 整流电路输出的是脉动直流电压，即便是三相整流电路，输出电压

12、波形如图所示，其电压波动仍然很大，对逆变电路不利，影响输出电压波形和稳定性。 另外，整流电路只允许单向导电，无法提供反向电流通路，作为电压型逆变电路来说是不允许的，基于以上原因，DC滤波电路成为必不可少的环节。1.35UL1.414UL1.225UL共二十八页 DC滤波电路由L、C元件(yunjin)组成，如图所示：CLUiUO 它是一个具有(jyu)低通特性的二阶电路。 为了设计该滤波电路，必须进一步分析了解逆变电路输入端的能量流动情况。 以单相全桥电路为例，电路如图所示： 设某段时间内IO方向如图中所示，且大小基本恒定。T1T2T3T4IhILIOIiE+_共二十八页 T1T4在这段时间内

13、按下述方式工作： t0t1时间段，T1、T3导通， T2、T4关断。电源没有电流输出，Ii=0。逆变电路上回路(hul)形成电流， Ih=I0。T1T2T3T4IhILIOIiE+_ABt0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6UAUBUABIi t1t2时间段，T1、T4导通， T2、T3关断。电源(dinyun)输出电流Ii，方向为电源正、 T1、A、B、T4、电源负。共二十八页t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6UAUBUABIi t2t3时间

14、段，T2、T4导通， T1、T3关断。电源没有电流输出，Ii=0。逆变电路(dinl)下回路形成电流， IL=I0。T1T2T3T4IhILIOIiE+_AB t3t4时间段，T2、T3导通， T1、T4关断。负载电流向电源回馈(hu ku)，电源输出电流Ii方向为负，路径是电源负、 T2续流二极管、A、B、T3续流二极管、电源正。共二十八页小结：逆变电路在一般情况下，不仅(bjn)将直流电源侧的电能送向负载，还要将负载侧的能量回馈到电源。因此，直流滤波电路中的C，在向逆变电路提供电能时，电压下降。吸收逆变电路回馈的能量时，电压上升。共二十八页内容摘要14、交流电抗器。注意(zh y)：400HZ时，KS、j、B比50HZ时下降。匝数计算：查表可得这种铁心的每伏匝数为，0.43。电力电子装置主开关器件的保护主要在两个方面：器件