电力电子关键器件设计汇编

1、电力电子(dinz)关键器件设计温志伟 2012年9月4日共四十七页2电力电子关键器件反激变换器工作(gngzu)原理电感设计变压器设计MOS管设计二极管设计电容设计共四十七页3电力电子关键器件反激变换器工作(gngzu)原理电感设计变压器设计MOS管设计二极管设计电容设计共四十七页4电力电子(dinz)关键器件：开关器件开关器件：同一种(y zhn)器件，多种封装，TO-247，TO-220，DO、模块、SMDIGBTMOSFET整流桥晶闸管二极管IGBT与MOS管区别：驱动、工作频率、功率等级？共四十七页5电力电子关键(gunjin)器件：无源元件无源元件：外观(wigun)、封装亦是多变

2、电感变压器电容共四十七页6电力电子关键(gunjin)器件：PWM IC驱动(q dn)、保护(过/欠压、过流、过温)电源实物共四十七页电力电子关键器件反激变换器工作原理(yunl)电感设计变压器设计MOS管设计二极管设计电容设计7共四十七页8反激变换器反激主电路(dinl)反激电路(dinl)特点输入电压宽泛元件少，体积小，成本低电路发展成熟、拓扑灵活多变反激电路特点电源设计入门：完整掌握RCD反激变换器设计，熟悉384X系列芯片开关管电压应力大直流偏磁，磁芯损耗大ZVS较难广泛应用于中小功率(1W1000W)、效率要求不高的场合效率不高共四十七页9Fly-back 设计(shj)步骤CCM

3、 / DCM调制方式(fngsh)调频、恒频拓扑选择效率要求成本要求输入电压范围开关管电压应力拓扑选择工作模式开关管磁性元件吸收电路控制回路参数设计变压器、电感设计MOSFET、整流桥、二极管输入、输出电容设计参数设计器件选型损耗计算共四十七页10CCM 状态(zhungti)1n=N2/N1二极管电压(diny)应力：电流公式：状态1：T-ON共四十七页11CCM 状态(zhungti)2输入输出关系(gun x)：开关管电压应力：状态2：T-OFF输入输出关系为nD/(1-D)，适应宽范围输入电压共四十七页12DCM 状态(zhungti)1状态(zhungti)1：T-ON和CCM状态1

4、相同，电感电流从0开始增加共四十七页13DCM状态(zhungti)2状态(zhungti)2：T-OFF D-ON共四十七页14DCM 状态(zhungti)3二极管实现零电流(dinli)关断（ZCS）一阶电路，稳定状态3：T-OFF D-OFF变压器体积大电流尖峰大，损耗较大共四十七页15电路(dinl)原路图共四十七页16电力电子关键器件反激变换器工作原理电感(din n)设计变压器设计MOS管设计二极管设计电容设计共四十七页17电感(din n)设计：磁芯铁氧体硅钢片铁硅铝铁镍 合金非晶相对磁导率1000-10000-14/26/60/75/125/16014-550100-1000

5、0饱和磁密0.4-0.5T1.8T1.0T0.8T1.5T工作频率200KHz50/60Hz200KHz200KHz100-300KHz直流偏置好差一般一般较好损耗极低大适中较低很低价格较低便宜中较高贵共四十七页18磁芯规格(gug)环形(hun xn)、EE、EI、EC、RM、PQ、平面E型EE磁芯：成本低、制造简单、大中小功率都合适PQ磁芯：耦合高、散热好、绕线方便，成本适中成本、窗口利用率、绕线难度、散热、线圈耦合程度共四十七页19电感(din n)设计3选择(xunz)磁芯材料：选择铁氧体或铁粉芯选择磁芯：选择环形、EE、EC、PQ、RM计算电感量：电感匝数2：依据电路参数计算Lm电感

6、匝数1：B: 磁感应强度，Ae磁芯截面积，AL: 每匝电感量共四十七页20漆包线用途(yngt)：温度：形状：漆包线分类(fn li)单股线、多股线、利兹线Class A(130)，Class F(155) 、Class H(180)圆线、扁线共四十七页21线径选择(xunz)cmf=65KHz导线(doxin)选择：最小导线直径为：0.6mm集肤深度：电流密度：依据散热条件：1-10A/mm2, 5A/mm2选择直径为0.5mm*10共四十七页22铜损假定(jidng)：工作频率在50150KHz，线径选择时已考虑集肤效应导线(doxin)长度电阻率导线截面积精确计算铜损：将电流曲线傅里叶分

7、解，基波和谐波依据肌肤效应分别计算损耗共四十七页23磁芯损耗(snho)损耗(snho)1：磁滞损耗损耗2：涡流损耗损耗3：剩余损耗磁畴：磁化前 磁化后B-H 曲线集肤效应，磁密增加铁氧体：100KHz，穿透深度18cm磁化或反磁化过程中，磁化状态不是随着磁化强度变化而立即变化到它的最终状态，而是需要一个过程，这个“时间效应” 便是引起剩余损耗的原因磁芯损耗共四十七页24磁芯损耗(snho)计算铁损与磁密、频率(pnl)成正比PC40，EE42，B=0.2，100KHz75KHz? PC40, r=1.28, a=1.487, b=2.76磁芯的最低损耗一般设计在80-100共四十七页25铜损

8、与铁损平衡(pnghng)磁密B：B增大，N减少，铜损降低；同时单位(dnwi)磁损增大开关频率：频率降低，磁损减少；同时磁芯增大，Lm增大，铜损增加铜损等于磁损时，总损耗最低共四十七页26电力电子关键器件(qjin)反激变换器工作原理电感设计变压器设计MOS管设计二极管设计电容设计共四十七页27电路(dinl)输入输出条件输入交流电压的范围输出功率输入的电压最大值效率90264Vrms30W374V0.8开关工作频率输出电压输入电压的频率最大占空比65KHz19V5060Hz0.45变压器的作用：隔离，升降压设计(shj)要求：体积小，低损耗占空比超过0.5，系统稳定性变差；RCD反激效率一

9、般为0.8-0.9共四十七页28电感设计(shj)：电感计算原边电流(dinli)T的平均值 Ton内的平均电流 设满载时的最小电流 最大电流 原边电流有效值 原边电感值 反激变压器实质是个储能电感共四十七页29原副边匝数AP法则(fz)确定磁芯大小确定(qudng)匝比原副边匝数原边匝数副边匝数共四十七页30MOSFET datasheet额定电压：30/45/60/100/150/200/300/400/600/650/800/900/1000/1200V 需满足降额，最高电压为额定电压的0.70.9倍.额定电流：按照最大有效电流值Ief选择(xunz)，额定电流为(1.52)Ief瞬态电

10、流：MOS管能承受的最大脉冲电流通态电阻：Rdson越小越好，额定电压越高，Rdson越大；额定电流越大，Rdson越小 温度越高， Rdson越大开通时间：ton，Mos由截止到导通的过渡时间，越小越好关断时间：toff，Mos由导通到截止的过渡时间，越小越好输出电容：Coss，越小越好，与Rdson矛盾共四十七页31MOS管选择(xunz)600V应力的MOS管MOS管应力(yngl)计算公式输入电压最大值副边电压折算假设Vspike=100V共四十七页32损耗(snho)计算状态(zhungti)1：T-ON状态2：T-OFFt0- : T关闭t0t1: T从OFF到ON过渡，VDS逐渐

11、下降，IDS由0逐渐上升t1t2: T处于导通状态，Mos相当于一个小电阻Rdsont2t3: T从OFF到ON过渡，VDS逐渐上升，IDS由0逐渐下降t3t4: T处于截止状态，DS间只有很小的漏电流，uA级MOS管电压、电流共四十七页33MOS损耗(snho)计算导通损耗(snho)Pon截止损耗Poff开启过程损耗Poff-on关断过程损耗Pon_off驱动损耗PgsPdsMOS的结温可到175，一般设计其工作100左右，查100的Rdson零电流关断ZCS，零电压开通ZVS共四十七页34散热器MOS管结温能到175，一般(ybn)让MOS管工作在100220-AB,220-fullpa

12、ckage，TO-247共四十七页35电力电子关键器件反激变换器工作(gngzu)原理电感设计变压器设计MOS管设计二极管设计电容设计共四十七页36二极管材料：特性(txng)：用途：二极管分类(fn li)硅管，锗管，碳化硅二极管肖特基二极管，快恢复二极管稳压二极管、发光二极管等二极管ZCS，无反向恢复开关特性反向恢复特性共四十七页37二极管关键(gunjin)参数额定电压：30/45/60/100/150/200/300/400/600/650/800/900/1000/1200V 需满足降额，最高电压为额定电压的0.70.9倍.额定电流：按照最大平均电流值Ief选择，额定电流为(1.52

13、)Ief瞬态电流(dinli)：二极管能承受的最大脉冲电流(dinli)正向压降：Vf越小越好，额定电压越高， Vf越大；额定电流越大， Vf越小 温度越高， Vf越小反向恢复时间：trr 越小越好共四十七页38二极管耐压选择(xunz)100V应力的二极管副边二极管上承受的最大反向(fn xin)电压为:Uo+nUd共四十七页39二极管损耗(snho)Vf-If曲线(qxin)模拟Vf-If曲线估算：准确计算：反向恢复损耗自查资料共四十七页40电力电子关键器件反激变换器工作(gngzu)原理电感设计变压器设计MOS管设计二极管设计电容设计共四十七页41电容(dinrng)分类铝电解电容：钽电

14、解电容：瓷片电容(dinrng)：薄膜电容：独石电容：电容分类容值大，1uF1F，频率特性差，损耗大，寿命短，用于直流滤波容值较大，0.1-1000uF，损耗、漏电小于铝电解电容 频率特性好，容值小1pF-1uF，体积小，高频滤波频率特性好，容值小10pF-10uF，体积小，谐振电容，EMI滤波频率特性好，电容量稳定,耐高温耐湿性， 1pF-1uF，云母电容器、玻璃膜电容器、涤纶电容器、玻璃釉电容、纸质电容器、超级电容共四十七页42电解电容参数(cnsh)额定( dng)电压：16/25/35/50/100/200/350/400/450， 需满足降额，最高电压为额定电压的0.70.9倍.标称

15、容值：依据纹波大小、维持时间选择，10/22/33/47/63/100uF ESR：串联等效电阻，越小越好 正切角：tan=ESR/Xc, 越小越好电容等效模型共四十七页43电容(dinrng)损耗等效(dn xio)电阻电容损耗f=120Hz，tan查表，C 标称容值电容电压电流共四十七页44建议(jiny)推荐书籍：赵修科开关电源中磁性元器件 王志强开关电源设计熟悉反激变换器设计，修改原电路输入输出参数，自己设计变压器、调试和测试电路建立电路模型(mxng)，控制环路设计增加电路功能，如启动电路、输入高低压保护等熟悉各类反激拓扑(RCD/双管/交错/有源钳位)共四十七页45Q&A共四十七页46Thank you共四十七页内容摘要电力电子关键器件设计。电力电子关键器件：开关器件。IGBT与MOS管区别：驱动、工作频率、功率等级。电源设计入门：完整掌握RCD反激变换器设计，熟悉384X系列芯片。