第2章-共性问题-磁设计

1、电力电子装置及系统设计电力电子装置及系统设计Dr. HUANG Meng （黄萌）School of Electrical Engineering, Wuhan UniversityDesign of Power Electronic Devices and Systems2电力电子装置及系统的共性问题1.主要电力电子器件及其驱动技术2.电力电子器件的串并联使用3.电力电子器件的保护和缓冲电路4.电力电子器件散热技术及其设计方法5.电力电子装置中磁性元件及其设计方法6.电力电子装置的性能指标基本磁理论1. 理论知识点回顾2. 变压器建模3. 损耗机理4. 线圈的涡流效应5. 几种基本元件Des

2、ign of Power Electronic Devices and Systems3基本物理量之间的关系Design of Power Electronic Devices and Systems4基本物理量Design of Power Electronic Devices and Systems5磁物理量电物理量磁场强度H和磁动势F磁场中x1点和x2点之间的磁动势Magnetomotive force (MMF) F 是与电场E中的电动势即电压V类比Design of Power Electronic Devices and Systems6磁通密度B和总磁通通过某个区域Ac的总磁通与

3、磁通密度的关系是Design of Power Electronic Devices and Systems7法拉第电磁感应定律任任何封闭电路中感应电动势的大小，等于穿过这一电路磁何封闭电路中感应电动势的大小，等于穿过这一电路磁通量的变化率通量的变化率。对于磁通分布一致的区域Design of Power Electronic Devices and Systems8楞次定律由由于磁通量的改变而产生的感应电流，其方向为抵抗磁通于磁通量的改变而产生的感应电流，其方向为抵抗磁通量改变的方向量改变的方向。Design of Power Electronic Devices and Systems9安

4、培定律在稳恒磁场中，磁场强度在稳恒磁场中，磁场强度H沿任何闭合路径的线积分，等于沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流之代数和。这闭合路径所包围的各个电流之代数和。Design of Power Electronic Devices and Systems10安培定律为磁场强度H和线圈电流i建立联系可以从电流i来看磁动势MMF磁芯的总磁动势MMF等于线圈的MMFDesign of Power Electronic Devices and Systems11磁芯材料特性：B与H之间的关系Design of Power Electronic Devices and Systems1

5、2磁化曲线：真空中 v.s. 磁性材料中非线性，迟滞和饱和现象Typical Bsat = 0.3 to 0.5T, 铁氧体 0.5 to 1T, 铁粉芯 1 to 2T, 硅钢片电特性利用之前的公式：Design of Power Electronic Devices and Systems13饱和意味着短路！饱和意味着短路！磁路(Magnetic circuits)磁通平均分布在正方形截面磁芯内两端之间的MMF考虑类比电阻得到磁阻Design of Power Electronic Devices and Systems14气隙的影响Design of Power Electronic D

6、evices and Systems15消去Phi气隙的影响Design of Power Electronic Devices and Systems16减低电感量增加饱和电流减弱电感量与磁芯磁导率的依赖关系（斜率变小）变压器模型Design of Power Electronic Devices and Systems17理想变压器磁阻趋近于0：激磁电感非理想变压器，磁阻不为0写成电感的形式：Design of Power Electronic Devices and Systems18漏感Design of Power Electronic Devices and Systems19变压

7、器整体模型Design of Power Electronic Devices and Systems20端口方程：互感：互感系数：损耗机制低频损耗：DC 铜损铁损：迟滞损耗高频损耗：涡流损耗高频铜损：趋肤效应Design of Power Electronic Devices and Systems21铁损的计算能量用电压电流表示：改用B、H表示Design of Power Electronic Devices and Systems22铁损的计算积分即为BH曲线包围的面积：Design of Power Electronic Devices and Systems23(周期内能量损耗)

8、= (磁芯体积) (B-H曲线面积)正比于频率涡流损耗变化的磁通产生涡流Design of Power Electronic Devices and Systems24涡流损耗涡流损耗Design of Power Electronic Devices and Systems25硅钢片铁粉芯铁氧体绕组中的涡流效应Design of Power Electronic Devices and Systems26当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，且电流集中在导体的“皮肤”部分的一种现象。导线内部实际上电流变小，电流集中在导线外表的薄层。穿透深度电流密度越靠近导线中心越小De

9、sign of Power Electronic Devices and Systems27邻近效应邻近效应当高频电流在两导体中彼此反向流动或在一个往复导体中流动时，电流会集中于导体邻近侧流动的一种特殊的物理现象。Design of Power Electronic Devices and Systems28例子：两绕组变压器趋肤效应让电流集中于导线表面趋肤电流引起“隔壁”导线的邻近效应邻近效应的电流在导线另一侧引起额外的主电流随着层数增加而增大Design of Power Electronic Devices and Systems29绕组中的漏感一个简单两绕组变压器：电流按照如图方向De

10、sign of Power Electronic Devices and Systems30通过磁芯耦合的磁通占主要部分邻近效应引起空间中的磁场，没有耦合到次级最里层的漏感回路围绕第一层的导线包含4根导线，电流为4i(t)下一条漏感回路，围绕一、二层导线，8i(t)第三条漏感回路，围绕原边导线及副边第二层导线。总的漏感4i(t)Design of Power Electronic Devices and Systems31磁动势示意图Design of Power Electronic Devices and Systems32磁动势：中间最强三层导线分布Design of Power Ele

11、ctronic Devices and Systems33有邻近效应的情况邻近效应引起额外的电流，将导线所处的空间中的磁场抵消掉MMF分布于导线之间的空隙Design of Power Electronic Devices and Systems34交错绕线：减小MMF的最大值，减小漏感，减小邻近效应引起的损耗采用铜皮采用利兹线（多股细漆包线，绞线）Design of Power Electronic Devices and Systems35滤波电感Design of Power Electronic Devices and Systems36加入气隙Rg以抗饱和AC滤波电感Design o

12、f Power Electronic Devices and Systems37损耗较大其他类型变压器耦合线圈Design of Power Electronic Devices and Systems38常用磁芯结构EE：窗口大，散热好，结构规则 / 电磁屏蔽性能较差ETD：窗口大，散热好，磁芯截面积大，绕线少铜损小EI：与EE类似适用：较大功率开关电源，驱动变压器等Design of Power Electronic Devices and Systems39常用磁芯结构U：窗口大，适用于大功率罐型：结合面积大，漏感小/窗口小，适用于小功率高屏蔽环型：闭合磁路，漏磁小，绕线困难Design

13、 of Power Electronic Devices and Systems40电感设计Kg法目标：电感值最大电流下不饱和阻抗R引起铜损不能太大CCM BuckDesign of Power Electronic Devices and Systems41限制条件1：最大磁通密度若绕组电流最大值为Imax, 列磁路方程Design of Power Electronic Devices and Systems42限制条件2：电感量设计的主要考虑是电感量，对于电路来说是敏感参数Design of Power Electronic Devices and Systems43限制条件3：窗口大小

14、N圈绕组总面积： 窗口系数KuDesign of Power Electronic Devices and Systems44窗口系数Ku窗口系数应该比1小，决定它取值大小的基本考虑如下：绕线时，圆柱的导线难以完美的贴合在一起，Ku需要乘以系数0.7-0.55导线间往往加一些隔离措施，Ku进一步乘以系数0.95-0.65骨架占用体积Ku典型值：0.5 for simple low-voltage inductor0.25 to 0.3 for off-line transformer0.05 to 0.2 for high-voltage transformer (multiple kV)0.

15、65 for low-voltage foil-winding inductorDesign of Power Electronic Devices and Systems45限制条件4：阻抗线圈阻抗：式中lb为导线长度，可以计算为每圈平均长度（MLT）的倍数Design of Power Electronic Devices and Systems46设计公式Design of Power Electronic Devices and Systems47消去待定的n, lg, Aw，得到：定义Kg为磁芯几何系数：设计参数对结果的影响如用小的磁芯：Bmax，选用高导磁材料R，容许稍大的损耗如想

16、得到宽的设计选择裕度（大Kg）大直径的磁芯Ac大窗口（WA）Design of Power Electronic Devices and Systems48Boost电感设计Design of Power Electronic Devices and Systems491）电感的选择电感器感值的选取满足公式：()outinLsVVDLrI f开关频率10 kHz，电感电流平均值约13.33 A，纹波系数r此处取经验值30%，即0.3。并网后，输出电压为500 V，入网电流为8 A。3(V)D(500288) 0.4242.250.3 13.33 10 10outinLsVLmHrI f电感设计

17、根据L=3 mH，最大峰值电流20 A 来设计电感器，假定绕组电阻为R，线路损耗则为Design of Power Electronic Devices and Systems502curmsPIR电感设计Design of Power Electronic Devices and Systems51电感设计Kg的选择Design of Power Electronic Devices and Systems52电感设计可以发现由于电感量较大，此Kg值远超常规磁芯元件的参考参数范围，需要特殊设计。设计时可以采用更大体积的磁芯元件，或者采用饱和磁感强度更大的材料。Design of Power

18、Electronic Devices and Systems53电感设计(AP法)54,11(1)2piso criticalspNVTIDDNL若输出最小电流大于临界电流，则CCM，此时电感需满足：,omino criticalII22221122isispoominominV D TV D TLV IP全功率范围都保持CCM输出是不可能的，可以设置一个CCM模式功率输出的最小值，考虑额定功率的10%-30%。电感设计(AP法)55,11(1)2piso criticalspNVTIDDNL若输出最大电流小于临界电流，则DCM，此时电感需满足：全功率范围都保持DCM是可行的。由于最大功率比最

19、小功率大很多，因此DCM的电感值要小很多。由于DCM更容易稳定，对于微型逆变器来说，选择CCM也是可行的，在小输出功率时进入DCM也不至于引起稳定性问题221max2ispoV D TLP电感设计(AP法)56221max252ispoV D TPHLVi36 VPomax125 WFs50 kHzDmax0.5AP法：由功率算磁芯参数的方法电感设计(AP法)57电感设计(AP法)58电感设计(AP法)592.6 磁性元件设计磁性元件设计电力电子装置中大量的使用磁性元件，大到高压直流输电中的直流平波电抗器、交流滤波电感，小到开关电源中的高频变压器、共模电感等。这些元件虽然体积、电压等级等不同，

20、但是设计过程基本相似：电感或变压器参数设计磁性材料选择结构设计1 前言602.6 磁性元件设计磁性元件设计平波电抗器的参数设计是个比较复杂的过程，不同的应用计算方法不同，需要考虑的因素也很多。高压直流输电是整流电路应用的一个典型例子，下面以此为例介绍直流侧平波电抗器参数设计。设计中主要考虑以下限制因素：限制故障电流上升率，防止直流低负荷时的电流断续，平抑直流电流的纹波，防止直流输电系统发生低频谐振(50Hz, 100Hz, )。2 整流电路平波电抗器设计612.6 磁性元件设计磁性元件设计dtoU防止直流低负荷时的电流断续针对不同的结构，计算公式略有不同，例如十二脉动换流器的保证电流连续的最小

21、电感量可用下面公式估算：其中： 临界电流； 最小直流电压。注：整流和逆变端计算得到的参数不一致，按照最大配置。2 整流电路平波电抗器设计20.023sindioddpUILdpI62限制故障电流上升根据此条件决定的平抗电感值简化计算公式如下：其中： 直流电压下降，一般取六脉动整流输出电压； 不发生换向失败所容许的直流电流增量，其计算公式为： 2.6 磁性元件设计磁性元件设计dI2 整流电路平波电抗器设计dU(1)360ddmindddUULtIIf 22coscos(1 )2dsmindonIII632.6 磁性元件设计磁性元件设计其中： 为换流变阀侧两相短路电流的幅值 为逆变器的超前触发角

22、根据以上计算选择的参数基本上可以满足限制纹波电流的要求，但是最终选择电感参数还要和直流滤波器进行幅频特性校核，防止低频分量的谐振。2 整流电路平波电抗器设计2sI642.6 磁性元件设计磁性元件设计斩波器在开关电源、直流调速等设备中应用较多。设计中主要考虑以下相关因素：功率、电压、额定电流开关频率斩波电路类型(升压、降压、升降压)以降压斩波为例介绍：3 斩波电路电感设计65 电路外特性基本假设：器件理想特性，不考虑分布参数直流电容足够大，直压没有波动输出滤波电感足够大，电流近似线性变化66电流连续状态(CCM)r0=0(稳态)()(11截止开通VTUVTUUUdL1011)1 ()(TUDTUDDTUUd010TLLdtuTUdoDUUU1DUUAdV167R00 (稳态)LLouiruu01)(1LooodoooIIIrDUIrUUdoodUIrDUU168 临界连续电流：电感电流最小值为零时对应的负荷电路平均值。ocI2IIIoLModoooLTDDUTDLUTDLUI0001odoLMLTDDUII20odocLTDDUI20odocmLTUI8DDIIocmoc0469电动机负载(CCM)nCIrDUIrUEeoodoooMeddooCUnUIrDnn00;电机自然空转转速：直流电机负载电路外特性和图22相似0n70电流断续状态(DCM)电流断续期间靠电容储