电力电子装置设计与应用

1、14、交流电抗器 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 的关系如下： fLx2LIxIULLLLIU铁心截面积 （平方厘米）式中 为铁心叠片系数，一般为0.890.93。BfNkUSSL44.4108Sk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，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：QLjkNIQ Q

2、kj2/mmA)(44.41048cmjBkfkIUSQQSLL 由此可见，根据电抗器容量 的大小选择适当的铁心，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：LLIU93. 0Sk45. 0QkLLLLLLLLLLIUIUSIUSIUIUS55.083.1135.323.245.093.0200120005044.4105.1282 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。SLkSBfUN44.410815、本

3、设计输出滤波电抗器 根据第9、10节设计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 AIL467.1071长一、根据式jBKfKUISQQS44.4108其中： VfLIZIULLL057.5010333.1854002467.107261111长长48720.118160001204 . 089. 040044. 410467.107057.50cmSQ42 .13311354 . 62 . 3cmSQ注意：400HZ时，KS、j、B比50HZ时下降。 查表可选：400HZ CD3264130的铁心。它的SQ为：导线截面积计算：2556.892 . 1

4、467.107mmS线查表选矩形截面玻璃丝包绝缘导线。匝数计算：查表可得这种铁心的每伏匝数为，0.43匝525.2143. 0057.50N 根据实际情况，可选N=（2224）匝，在两个心柱上各绕1112匝，装配时，通过调整铁心气隙，得到所需的电感量。16、空心电抗器的计算 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）及线圈匝数进行试算，重复修改几次，就可得到所需要的电感。多层线圈的计算公式如下：HDdllDDNL3 . 125022lDd式中 D

5、线圈的平均直径（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)l则电感为mHHL3 .3333300161033 . 110216501650022l 这个公式是近似的，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

6、是如此。 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）都可以等效为一个电容器。栅极回路的击穿电压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，Rg小于7.5欧姆就可能造成驱动电路过载。 过快的开关速度对开关器件也不绝对有利，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

7、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。Rg1RgsW1W2VgsRg2 在要求开通和关断时间常数不一样的应用场合，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，但对驱动电路不利。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。 W1和W2为驱动电压限幅二极管

8、，一般选1618V的稳压二极管，反串后具有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开关器件栅极以上元件在实际电路中应尽量靠近开关器件栅极布置，以便减少引线电感带来的不利。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）。 该电路缺点是，功耗大，R在开关管导通时要消耗C中所有的能量。fCUPCR221 原理上，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

9、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。一种较为理想的缓冲电路如图所示：LRC1C2+ED1D2 其中L、R、C1、C2、D1、D2（仅标注一相）等元件为缓冲电路元件。T1T2AIZ-EZ 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）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

10、受到限制。A点电位逐渐下降，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-EZIZLRC1C2+ED1D2T1T2AIZ-EZ 当T1再次导通时，T2续流二极管没有关断前，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，以di/dt=E/L的恒定变化率增长。 当T2的续流二极管逐渐关断后，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

11、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 C1向C2放电，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了两个开关管T1、T2的dv/dt，没有最小开通时间限制，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:tLEILEtI如果 E=500V，L=10 H，t=1SSAI50101101050066则主开关器件每微秒电压上升率：tCIu1SVu1000101101 . 010066如果I=100A，C1=0.1 f，t=1 S则C2一般取： C2=（1520

12、）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：SfTK722.3496003131 787. 5102310722.343662CTR实选：510欧姆即可。 逆变电路输入端需要直流电源，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。1.35UL1.414UL

13、1.225UL DC滤波电路由L、C元件组成，如图所示：CLUiUO 它是一个具有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+_ T1T4在这段时间内按下述方式工作： t0t1时间段，T1、T3导通， T2、T4关断。电源没有电流输出，Ii=0。逆变电路上回路形成电流， Ih=I0。T1T2T3T4IhILIOIiE+_ABt0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6UAUBUABIi t1t2时间段，T1、T4导通， T2、T3关断。电源输出电流Ii，方向为电源正、 T1、A、B、T4、电源负。t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6t0t1t2t3t4t5t6UAUBUABIi t2t3时间段，T2、T4导通， T1、T3关断。电源没有电流输出，Ii=0。