电力电子其他

1、Power Electronics Technology 电力电子技术South China University of Technology第五部分 电力电子其他 相关技术 6South China University of Technology本节主要参考书目苏开才、毛宗源现代功率电子技术，国防工业出版社，1999.05Mark I.Montrose电磁兼容和印刷线路板理论、设计和布线， 人民邮电出版社出版社，2002，125.1 概述散热封装生产环境影响控制策略无源器件功率开关器件变换电路电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术5. 2 可靠性电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技

2、术可靠性定义国际上，通用的可靠性定义为：在规定环境条件下，和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计：通过设计奠定产品的可靠性基础。研究在设计阶段如何预测和预防各种可能发生的故障和隐患，以及确保产品的维修性。 整机故障原因统计 设计上的原因 40 元器件质量上的原因 30 操作和维护上的原因 20 制造上的原因 10电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术可靠性设计准则并联系统准则新技术采用准则 热设计准则 电子元器件的选择准则 降额设计准则 电磁兼容设计准则简化设计准则容差设计准则性能稳定设计准则电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术并联系统准则并联系统模型如图所示。图中：U1，U

3、2均可单独地实现系统的功能，而且U1，U2任何一个单元出现故障，将自动（或手动）和输入、输出端断开，同时接入另一个互为备份的单元。 显然，并联系统的任何一个单元的失效，均不会影响系统的功能，只有在二个单元均失效时，系统才不能正常工作。实际工程中，为了在成本和可靠性方面求得平衡，常常使用串联和并联混合系统。也就是对可靠度较低的单元采用并联系统，可靠度高的单元保持串联系统。模型如图所示。 电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术电子元器件选择准则集成电路必须是一类品或者是符合MILM38510、MILS19500标准B1以上质量等级的军品。多采用集成电路，减少分立器件的数目。开关管选用MOSFE

4、T能简化驱动电路，减少损耗。输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器件。设计时尽量少用继电器，确有必要时应选用接触良好的密封继电器。原则上不选用电位器，必须保留的应进行固封处理。 开关电路中的电容，因流过高频电流，故易升温，所以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性；由于电解液日久会干涸，而且由于受空间粒子轰击时，电解质会分解，所以铝电解电容不适用于航天电子设备的电源中。尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。 电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术降额设计准则电子元器件的基本失效率取决于工作应力(包括电、温度、振动

5、、冲击、频率、速度、碰撞等)。除个别低应力失效的元器件外，其它均表现为工作应力越高，失效率越高的特性。为了使元器件的失效率降低，所以在电路设计时要进行降额设计。降额程度，除可靠性外还需考虑体积、重量、成本等因素。不同的元器件降额标准亦不同，实践表明，大部分电子元器件的基本失效率取决于电应力和温度，因而降额也主要是控制这两种应力。 电阻的功率降额系数在0.10.5之间。二极管的功率降额系数在0.4以下，反向耐压在0.5以下。发光二极管电压降额系数在0.6以下，功率降额系数在0.6以下。功率开关管电压降额系数在0.6以下，电流降额系数在0.5以下。普通铝电解电容和无极性电容的电压降额系数在0.30

6、.7之间钽电容的电压降额系数在0.3以下。电感和变压器的电流降额系数在0.6以下。5. 3 电磁兼容电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术定义所谓电磁兼容（Electromagnetic Compatibility）是指设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。这里包含两层意思：即它工作中产生的电磁发射要限制在一定水平内；另外，它本身要有一定的抗干扰能力。这便是设备研制中所必须解决的兼容问题。电源滤波器通风板电缆接线板通风板电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术电磁屏蔽室高度扫描天线杆天线金属地板转台上的受试件电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术屏蔽暗室

7、电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术频谱分布日常生活中常用的频率范围，包括交流电源频率、音频、长、中、短波收音机占有的频段、调频及电视广播、蜂窝电话常用的900MHz及1.8GHz。但实际的频谱远比这拥挤得多，9KHz以上的频段几乎都被用于特定的场合。随着微波技术广泛应用于日常生活，该图中所示的频率也很快将扩展至10GHz（甚至100GHz）。开关电源的工作基频一般在2kHz至500kHz之间。开关电源在其工作频率1000倍的频率处仍具有很强的发射是常见的。上图给出了个人计算机中常用的频率为70kHz的开关电源的发射频谱。电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术电力电子设备的EMC产生

8、电磁干扰有三个必要条件：干扰源、传输介质、敏感的接收单元，EMC设计就是破坏这三个条件中的一个。对于开关电源而言，主要是抑制干扰源，干扰源集中在开关电路与整流电路。采用的技术包括滤波技术、布局与布线技术、屏蔽技术、接地技术、密封技术等。 EMI按传播途径分为传导干扰和辐射干扰。 220VAC电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术电力电子设备干扰的产生电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术传导干扰、电力电子设备的谐波电流电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术传导干扰的对策电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术传导干扰的抑止传导噪声的频率范围很宽，从10kHz30MHz，我们虽然知

9、道产生干扰的原因，但从效率上来讲，通过控制脉冲波形的上升与下降时间来解决未必是一个好办法，解决办法之一是加装电源EMI滤波器、输出滤波器及吸收电路。 铁粉磁芯：不易饱和、导磁率低，作差模扼流圈的磁芯铁氧体：最常用锰锌：r = 500 10000，R = 0.1100m镍锌：r = 10 100，R = 1k 1Mm超微晶：r 10000，做大电感量共模扼流圈的磁心电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术电感的选用电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术滤波电容电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术滤波器的安装电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术辐射干扰电力电子技术第五部分 电力电

10、子其他相关技术辐射干扰的对策电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术屏蔽用金属材料将机箱内部产生的噪音封闭起来的方法称为屏蔽。屏蔽对防止外部噪音进入机箱也是同样有效的。 屏蔽能有效抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个：一是限制设备内部的辐射电磁能越出某一区域；二是防止外部的辐射电磁能进入某一区域。按屏蔽所起的作用分，有电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术电场屏蔽电场屏蔽是用导体将噪音源包围起来，然后接地，就能达到屏蔽的目的。由于导体表面的反射损耗很大，因此很薄的材料（铝箔、铜箔）也有很好的屏蔽效果，但要求其为良导体，强度要足够，且接地要良

11、好。另外，机箱上即使有缝隙，也不会产生太大的影响。 电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术磁场屏蔽磁场屏蔽主要用来屏蔽低频磁场的干扰，这种干扰是由交流电流或直流电流产生的。对这种低频磁场，要通过使用高导磁率材料为磁场提供一条磁阻很低的旁路来实现屏蔽，这样空间的磁场便会集中在屏蔽材料中，从而使磁敏器件免受磁场干扰。 低频磁场屏蔽与射频磁场屏蔽是完全不同的，射频磁场的屏蔽使用导电率高的材料如铍铜复合材料、银、锡或铝等材料，把它完全封闭起来，就可以了。但这些材料对低频磁场没有任何屏蔽作用。只有高导磁率的铁磁合金才能屏蔽直流磁场或低频磁场。电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术电磁场屏蔽电磁场

12、屏蔽的目的是要阻止电磁场在空间传播。与电场和磁场屏蔽的机理不同，电磁场屏蔽的机理是： （1）屏蔽体金属表面对电磁波的反射作用（就这一点来说，对屏蔽体的厚度无要求）。 （2）未被完全反射的电磁波在进入屏蔽体内部时，继续向前传播的过程中会被屏蔽体金属所吸收。 （3）当部分未被吸收掉的电磁波透过金属到达屏蔽体另一表层时，在金属与空气交界面上会再次形成反射，重返屏蔽体内部，结果在屏蔽体内部形成多次反射和吸收现象（当然最终还会有少量电磁波透过屏蔽体而进入被保护空间）。因此，电磁屏蔽是基于金属材料对电磁波的反射和吸收两个作用来完成的。电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术辐射干扰的屏蔽措施 对于辐射干

13、扰主要应用密封屏蔽技术，在结构上实行电磁封闭，要求外壳各部分之间具有良好的电磁接触，以保证电磁的连续性。目前为减少重量大都采用铝合金外壳，但铝合金导磁性能差，因而外壳需要镀一层镍或喷涂导电漆，内壁贴覆高导磁率的屏蔽材料。导电材料要求导电性能高、有弹性、具有最小的宽厚比。电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术实际屏蔽体的问题外壳永久连接处用导电胶粘牢或采用连续焊缝结构，需拆卸的可以用导电橡胶条压紧来保证电磁连续性。差模辐射共模辐射电流环杆天线电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术线路板的两种辐射机理E = 2.6 I A f 2 / D低通滤波器布线电力电子技术第五部分 电力电子其他相关

14、技术减小差模辐射的方法V = L(di/dt)这个环路尽量小电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术电源线噪声的消除电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术瞬态干扰的抑止电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术布局和布线缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管。脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源和出口分离。控制电路和功率电路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引起天线作用，所以建议不要采用大面积接地方式。必要时可以将输出滤波电感安置在地回路上。采用多只低ESR（等效串联电阻）的电容并联滤波。采用铜箔进行低感低阻配线。相邻印制线之间不应有过长的平行线，走线尽量避免平行，采用垂直交

15、叉方式，线宽不要突变，也不要突然拐角。禁止环形走线。电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术地线引发干扰的原因123123I1I2I3I1I2I3ABCABCR1R2R3串联单点接地优点：简单缺点：公共阻抗耦合并联单点接地优点：无公共阻抗耦合缺点：接地线过多电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术接地电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术接地5. 4 散热技术电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术散热的必要性在电子设备广泛应用的今天。如何保证电子设备的长时间可靠运行，一直困扰着工程师们。造成电子设备故障的原因虽然很多，但是高温是其中最重要的因素（其它因素重要性依次是振动Vibrat

16、ion、潮湿Humidity、灰尘Dust），温度对电子设备的影响高达60。 电源设备内部的温升将导致元器件的失效，当温度超过一定值时，失效率将呈指数规律增加。国外统计资料表明电子元器件温度每升高2，可靠性下降10 。电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术相关概念元件额定工作结温Tjm：即元件允许的最高工作温度极限。本参 数由制造厂提供，或产品标准强制给出要求。元件的损耗功率P：元件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗， 定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。耗散功率Q：特定散热结构的散热能力。热阻R：热量在媒质之间传递时单位功耗所产生的温升。 R=T/Q热传递的方式有三种：辐射

17、、对流、传导。 电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术散热器的选配 散热器配置的目的，是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境，并使其热源（即结点）的温度不超过Tjm 。用公式表示为 PQ=（Tjm-Ta）/R( Ta为环境温度 )。 而热阻又主要由三部分组成：R=Rjc+Rcs+RsaRsa散热器至空气的热阻，它是散热器选择的重要参数，与材质、 材料的形状和表面积、体积以及散热介质（如水、空气）流速等参数有关。 Rjc结点至管壳的热阻，与元件的工艺水平和结构有很大关系，由制造厂给出；Rcs管壳至散热器的热阻，与管壳和散热器之间的填隙介质（通常为空气）、接触面的粗糙度、平面度以及安

18、装的压力等密切相关。介质的导热性能越好或者接触越紧密，则Rcs越小。电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术散热器选配的基本原则Rsa（Tjm-Ta）/P- Rjc-Rcs 一般散热器厂商应提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线，据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量，并进一步求得散热器的热阻值Rsa 。 电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术散热材料常见金属材料的热传导系数 金 317 W/mK 银 429 W/mK 铝 401 W/mK 铁 237 W/mK 铜 480 W/mK AA6061型铝合金155 W/mK AA6063型铝合金 201 W/mK ADC12型铝合金 96 W/mK AA1070型铝合金 226 W/mK AA1050型铝合金 209 W/mK 单位为W/mK，即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（1K1）时的热传导功率。 电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术自然散热按流体产生流动的原因不同，可分为自然对流和强制对流。 电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术风冷散热风速（英尺/秒） 热阻（/W） 0 3.5 100 2.8 200 2.3 300 2.0 400 1.8 风冷散热，实际上就是强制对流散热。 电力电子技术第五部分 电力电子其他相关技术风扇的选择风扇在散热中的职责为：凭借自身的导流作用，令