第8章　集成系统中的能量变换

第8章集成系统中的能量变换8.1集成系统中的电磁能量

8.1.1电磁关系特点

8.1.2电路理论分析的局限性

8.1.3面向电磁能量处理的系统集成

8.2电磁能量变换建模

8.2.1集成系统的物理描述

8.2.2系统的数学建模

8.2.3开关器件中的电磁能量变换

8.2.4储能元件中的电磁能量变换

8.2.5连接件中的电磁能量分析

8.3变换器中的电磁能量传输

8.3.1材料特性对电磁传输的影响第8章集成系统中的能量变换8.3.2变换器中的能量传输

8.3.3电磁波形在传输中的畸变及损耗

8.4基于电磁能量变换的集成系统设计发展8.1集成系统中的电磁能量电力电子与电机集成系统的本质是实施电磁能量的可控变换和传输。在变换和传输过程中必须遵循电磁能量守恒和能量不能突变原则，这是集成系统中电磁能量变换过程的基础。8.1.1电磁关系特点1.多回路

2.高功率

3.多媒质

4.多变性

5.多时间常数1.多回路图8-1电力电子与电机集成系统中各种部件中的能流形式2.高功率图8-2大功率半导体器件IGCT受损害情形3.多媒质图8-3典型的三电平电力电子变换器的主电路示意图4.多变性图8-4最小脉宽的影响致使输出电压脉冲畸变5.多时间常数图8-5电力电子与电机集成系统基本结构8.1.2电路理论分析的局限性1)基尔霍夫电流定律(Kirchhoff’scurrentlaw，KCL)，即对于集总电路的任一节点，在任一时刻流入该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和；基尔霍夫电流定律的物理基础是电荷守恒和电流连续性(即能量不能突变)。

2)基尔霍夫电压定律(Kirchhoff’svoltagelaw，KVL)，即对于集总电路的任一回路，在任一时刻，沿回路的各支路电压的代数和为零，其物理基础为能量守恒。

1)不可能从电路模型中分离出器件模型及其内部的耦合关系。

2)模型参数与“器件“和“电路”的几何尺寸相关，但电路模型反映不出来。

3)电路各部分之间的寄生参数和相互影响由于高频效应而增强。8.1.2电路理论分析的局限性4)当器件被搁置到强磁场区域时，其他磁场对它的影响将变得更加突出。图8-6IGBT模型内一个可能

的物理电路布局示意图图8-7高频时IGBT集总元件模

型的物理布局图8-8集成系统中各部分功能的相互关系8.1.3面向电磁能量处理的系统集成1)建立单个“元件”的特性函数。

2)建立单个“元件”之间的相关函数。

3)提炼出具有共性的系统综合函数。8.1.3面向电磁能量处理的系统集成图8-9系统集成分析方法8.2电磁能量变换建模电力电子与电机集成系统归根结底是一种电磁能量变换装置，因此，建立电力电子与电机集成系统的电磁能量变换模型是进行有效分析与控制的前提。8.2.1集成系统的物理描述1)从微观角度来看，在关断脉冲的下降沿处，将感应出1000V尖峰电压；

2)从宏观角度来看，电感上的储存的能量(单位为Ｗ)为8.2.1集成系统的物理描述图8-10电力电子装置中的能量界面8.2.2系统的数学建模图8-11平板电容器及连接线中电荷分布产生的能量流示意图8.2.2系统的数学建模图8-12功率半导体的平板连接电路8.2.3开关器件中的电磁能量变换器件导板上的感应电压与器件外部尺寸大小有关，导板越长，宽度越短，感应电压越大。同时，该感应电压与变化时间Δt有关，时间越短，感应电压越大。在器件关断时，器件承受外部施加电压加上感应电压，它们构成了器件上最大可能的雪崩电压；在器件开通时，该感应电压则要被减去，器件承受的电压变得更小。8.2.3开关器件中的电磁能量变换图8-13平板连接硅片方式中的硬开关电量波形1.感应电压(1)位移电流

(2)由电磁暂态带来的半导体器件中的电磁应力图8-14低压器件中的归一化的电压降落(以

电源电压为参考值做归一化)图8-15高压器件中的归一化位移电流

(以负载电流作为参考值归一化)8.2.4储能元件中的电磁能量变换1.半导体开关

2.容性器件

3.磁性器件

4.电磁集成器件1.半导体开关图8-162-D平板电容器的

电磁能量关系图2.容性器件一个典型的平板电容器结构如图8-16所示。平板电容器两端分别通过导线连接到一个电源，正负方向如图所示。由于在平板电容器两端电压不同，则两端的电场E也不同，正高负低，而电容器两端的电流相同，故两端H相同。根据波印亭矢量定义S＝E×H，其大小方向如图上所示，沿x方向，电磁能流是变化的，说明部分电磁能量储存在电容器中。该图中的空白箭头反映了与电荷相关的电磁能量流动。3.磁性器件图8-172-D磁性元件电磁能量关系图4.电磁集成器件图8-18集成的电感-电容-变

压器电磁能量关系图8.2.5连接件中的电磁能量分析1)同一桥臂中，各开关的换流回路不一样,所经历的杂散参数不同。

2)不同桥臂但同一位置的开关的换流回路也不同，所经历的杂散参数也不相同。

1)分布参数值较小的单元并入分布参数值较大的单元。

2)合并的单元在电路拓扑中处于同一条支路。

3)合并的单元在物理空间中的位置和电路拓扑中的位置均相邻。8.2.5连接件中的电磁能量分析图8-19三电平变频器母排结构的分类8.2.5连接件中的电磁能量分析图8-20单元等效电路8.2.5连接件中的电磁能量分析图8-21母排三维物理几何模型8.2.5连接件中的电磁能量分析图8-22母排的U相和V相等效电路图8-23简化后Loop1的等效电路8.3变换器中的电磁能量传输经过集成系统中的电磁能量在系统中传输，该传输特性受系统结构、媒质材料特性和元件电磁参数等的作用和影响。本节将主要讨论后两种因素的影响，系统结构的影响已经在第3章中有详尽的介绍，本节不再重复。8.3.1材料特性对电磁传输的影响1.导体中的集肤效应

2.电磁参数1.导体中的集肤效应图8-24导体厚度d与集肤效应深度

一致时的实心导线和绞合线1.导体中的集肤效应图8-25导体表面散热为常数时的电流密度1.导体中的集肤效应图8-26典型电介质中电场强度与

频率的关系曲线2.电磁参数图8-27磁场密度：低频下采

用硅钢片，高频下采用铁氧体2.电磁参数图8-28三类不同的磁心厚度h：硅

钢、铁氧体和微结构材料8.3.2变换器中的能量传输图8-29典型的交直交变换器的电路结构8.3.2变换器中的能量传输图8-30典型的交直交变换器中的电磁能量传输示意图8.3.3电磁波形在传输中的畸变及损耗1.能量传播的时空方程

2.异常脉冲现象分析1.能量传播的时空方程图8-31集成系统中简化的瞬态有损传输线模型2.异常脉冲现象分析图8-32典型的高压大容量三电平变频器量测到的各种输出电压异常脉冲2.异常脉冲现象分析图8-33不同最小脉宽下、基频为5Hz时的电压矢量分布情况8.4基于电磁能量变换的集成系统设计发展1.脉冲电源下的电路拓扑

2.散热与冷却

3.电磁集成1.脉冲电源下的电路拓扑脉冲型电源是电力电子与电机集成系统的主要特色,脉冲电源含有丰富的高频谐波,由于电场能量存储与频率成严格的正比例关系，脉冲电源将带来高的能量交换密度。磁场能量存储也得到脉冲序列的好处，但是它的能量交换密度的改善比较小。因此需要选择能够应用更多的电场能量存储和更少的磁场能量存储的拓扑结构。2.散热与冷却散热与冷却是集成系统中能量平衡的重要方面，半导体开关器件是热源的集中地。因此半导体开关器件装配的形态和体积很大程度上决定于散热的需要，功耗的准确计算和散热结构的精细设计，是保证系统能量平衡的另一重要条件。同时，限制开关速度和集中减小器件的通态损耗，将更加容易实现散热的要求。3.电磁集成1)电场和磁场能量存储区域应尽