第7章辅助元器件和系统

1、电力电子学电力电子变换和控制技术（第二版）第第 7 7 章章辅助元器件和系统辅助元器件和系统 7 7 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 7.1 触发控制器触发控制器7.2 7.2 过电流保护和过电压保护过电流保护和过电压保护7.3 7.3 开关器件的开通、关断过程及安全工作区开关器件的开通、关断过程及安全工作区7.4 7.4 缓冲器缓冲器 7.5 7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器7.6 7.6 滤波器滤波器 7.7 7.7 散热系统散热系统 7.8 7.8 控制系统和辅助系统控制系统和辅助系统小结小结q 电力电子变换器中，周期性地改变开

2、关的通、断状态，可电力电子变换器中，周期性地改变开关的通、断状态，可实现实现DC/DC、DC/AC、AC/DC、AC/AC电力变换和控制。电力变换和控制。q 电力电子变换器中除开关电路外，还必须有一些辅助元器电力电子变换器中除开关电路外，还必须有一些辅助元器件和系统，如触发驱动器、过流过压保护系统、缓冲器、件和系统，如触发驱动器、过流过压保护系统、缓冲器、电感、电容、变压器、滤波器、散热系统、辅助电源、控电感、电容、变压器、滤波器、散热系统、辅助电源、控制系统等。制系统等。q 本章介绍这些辅助元器件和系统本章介绍这些辅助元器件和系统 7.0 辅助元器件和系统辅助元器件和系统电力电子变换器系统框

3、图示例电力电子变换器系统框图示例7.1 触发控制器触发控制器q 触发控制器从控制系统接收控制信号，经过处理后输出触发驱触发控制器从控制系统接收控制信号，经过处理后输出触发驱动电压动电压(电流电流)，开通或关断元器件，不同的开关器件，不同的，开通或关断元器件，不同的开关器件，不同的应用情况，要求不同的触发驱动器，已有各类开关元器件的触应用情况，要求不同的触发驱动器，已有各类开关元器件的触发驱动器可供选用。发驱动器可供选用。7.1 触发控制器触发控制器7.1.1 晶闸管晶闸管SCR触发驱动器触发驱动器7.1.2 GTO的触发驱动器的触发驱动器7.1.3 BJT的驱动器的驱动器7.1.4 P-MOS

4、FET、IGBT的驱动器的驱动器图图7.1 7.1 有隔离变压器的有隔离变压器的SCRSCR驱动器驱动器q SCR只要求有脉冲电只要求有脉冲电流触发其开通，脉冲电流触发其开通，脉冲电流流Ig上升沿要陡，强触上升沿要陡，强触发数值要足够大（脉冲发数值要足够大（脉冲足以使足以使SCR立即开通）立即开通）7.1.1 晶闸管晶闸管SCR触发驱动器触发驱动器7.1.1 晶闸管晶闸管SCR触发驱动器触发驱动器(续续1)q 由发光二极管由发光二极管LED和光控晶闸管和光控晶闸管LAT组成组成q 光电耦合隔离较变压器隔离电磁光电耦合隔离较变压器隔离电磁干扰小，但光控晶闸管干扰小，但光控晶闸管LAT必须必须能承

5、受电路的高压能承受电路的高压q 快速光耦响应时间可小于快速光耦响应时间可小于1.5sq 高压电力系统、直流输电等用的高压电力系统、直流输电等用的SCR触发器大都采用光纤电缆传触发器大都采用光纤电缆传送驱动信号送驱动信号7.1.2 GTO的触发驱动器的触发驱动器 q GTO要求有正值门极脉冲电流要求有正值门极脉冲电流+Ig触发其开通，负值脉冲电流触发其开通，负值脉冲电流-Ig使其关断使其关断q MOS管管M1、M2接收从控制系统输入的高频互补式方波电压后，向接收从控制系统输入的高频互补式方波电压后，向GTO输出输出+ Ig触发其开通，并使触发其开通，并使C充电。充电。q 要关断已处于通态的要关断

6、已处于通态的GTO（M1、M2已无输入信号）时，需触发开通已无输入信号）时，需触发开通SCR，C放电形成放电形成-Ig ，关断，关断GTOiBtiB基本驱动电流波形基本驱动电流波形i ibfmbfmi ibrmbrmOFFBJT理想驱动条件及理想波形理想驱动条件及理想波形7.1.3 BJT的驱动器的驱动器q 基极驱动电流的波形：晶体管开通的瞬间，驱基极驱动电流的波形：晶体管开通的瞬间，驱动电流应有足够陡的前沿和比稳态驱动电流大得动电流应有足够陡的前沿和比稳态驱动电流大得多的前沿峰值电流，以保证晶体管迅速进入饱和多的前沿峰值电流，以保证晶体管迅速进入饱和状态；状态；q 基极电流的稳态值：应使晶体

7、管处于饱和或临基极电流的稳态值：应使晶体管处于饱和或临界饱和状态，以降低通态损耗；界饱和状态，以降低通态损耗；q 驱动电流后沿加一个较大的负电流：以保证迅驱动电流后沿加一个较大的负电流：以保证迅速地将晶体管速地将晶体管b-eb-e之间的结间存储电荷抽出，加之间的结间存储电荷抽出，加快关断过程，降低开关损耗，并有利于提高开关快关断过程，降低开关损耗，并有利于提高开关频率。频率。q 基极驱动电路必须隔离，响应快，波形不失真。基极驱动电路必须隔离，响应快，波形不失真。有过流或晶体管进入放大区工作的保护功能。有过流或晶体管进入放大区工作的保护功能。7.1.3 BJT的驱动器的驱动器(续续1) TR1T

8、R2TR3R(-)iB+-TR1TR2TR3加加速速电电容容CR(-)(+)iB+-双双管管射射极极输输出出驱驱动动器器Pq BJT要求有正值基极电流要求有正值基极电流+IB强触发开强触发开通，并要求有持续的较小的驱动电流，通，并要求有持续的较小的驱动电流，保持其通态。最好有保持其通态。最好有-IB使其关断时间使其关断时间缩短，有较小的负基极电流维持其可缩短，有较小的负基极电流维持其可靠的断态靠的断态q 与与R并联的并联的C提供了强触发提供了强触发+IGq 输入端输入端P为低电平时，为低电平时，TR1通，通，TR2通，有通，有+iG驱动驱动BJTq 输入端为高电平时，输入端为高电平时，TR1断

9、，断，TR3通，通，C经经TR3放电，形成放电，形成BJT关断所需的关断所需的-iBOFFiBtONiB基本驱动电流波形基本驱动电流波形q P点有输入信号时，反相器输出点有输入信号时，反相器输出VB=0，光耦驱动器，光耦驱动器TL1导通使导通使A点为高电点为高电位，经位，经R1使使T1导通，为导通，为BJT提供提供+IBq 当当P点无输入信号时，点无输入信号时，VP=0，光耦驱动，光耦驱动LT2导通，使导通，使A点为低电位，点为低电位，T2导导通，通，C经经T2、R2放电，为放电，为BJT提供关断电流提供关断电流-IB7.1.3 BJT的驱动器的驱动器(续续2)P1TR1TR2P2*BJT(+

10、)(-) 有隔离变压器的有隔离变压器的BJT驱动器驱动器BJT除了上面讲到的那些驱动器外，还有这样的一些驱动电路除了上面讲到的那些驱动器外，还有这样的一些驱动电路7.1.3 BJT的驱动器的驱动器(续续3)7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驱动器的驱动器 一般选取正一般选取正UGE=1215V，关断过程中，为尽快使栅关断过程中，为尽快使栅极输入电容放完电，并将极输入电容放完电，并将P-MOSFET或或IGBT置于反置于反偏的最大安全工作区，应偏的最大安全工作区，应施加一负偏压施加一负偏压UGE，但它受，但它受IGBT的的GE间最大反向耐间最大反向耐压限制，一般取压限制，一般取-2-10

11、V7.1.4 P-MOSFET 、IGBT的驱动器的驱动器(续续1)q P-MOSFET、IGBT等都是电压型驱等都是电压型驱动器件，要求有持续的电平动器件，要求有持续的电平+VG使其开使其开通并保持其通态；通并保持其通态；q 关断时最好加持续的负电平关断时最好加持续的负电平-VG，并，并维持其可靠的断态维持其可靠的断态q P有正信号输入时，有正信号输入时，AM截止，开通截止，开通P-MOSFET；P=0时，时， AM开通，开通，C放放电，电，P-MOSFET截止截止7.1.4 P-MOSFET、IGBT的驱动器的驱动器(续续2)q P有正信号输入时，放大有正信号输入时，放大器输出器输出A点正

12、电位使点正电位使T1导导通，通，P-MOSFET开通，并开通，并保持通态保持通态q P无信号输入时，无信号输入时，A点为负点为负电位，电位，T2导通，稳压管导通，稳压管DZ两端电压抽出两端电压抽出C电荷，并电荷，并在在P-MOSFET管上栅管上栅-源极源极加负压，使其关断并保持加负压，使其关断并保持断态断态7.2 过电流保护和过电压保护过电流保护和过电压保护7.2.1 7.2.1 过电流保护过电流保护7.2.2 7.2.2 过电压保护过电压保护7.2.3 7.2.3 开关管串并联均压均流保护开关管串并联均压均流保护7.2.1 过电流保护过电流保护q 可同时采用多种过流可同时采用多种过流( (过

13、载、短路过载、短路) )保护，各尽所能协调配合，实现可靠地选保护，各尽所能协调配合，实现可靠地选择性保护。择性保护。q 电子保护：动作阈值高，延时小，封锁脉冲，停机电子保护：动作阈值高，延时小，封锁脉冲，停机q 快速熔断器：既可作短路保护又可作过载保护快速熔断器：既可作短路保护又可作过载保护q SCRSCR被触发导通，烧断熔断器，切断电路被触发导通，烧断熔断器，切断电路q 开关管设死区延时开通，防止直通开关管设死区延时开通，防止直通7.2.2 过电压保护过电压保护q 避雷器击穿对地放电，防止雷电过电压避雷器击穿对地放电，防止雷电过电压q 设置设置Co，抑制操作开关，抑制操作开关S通、断时过电压

14、通、断时过电压q 线路上并接线路上并接RC过电压缓冲器过电压缓冲器q 线路上并接压敏电阻线路上并接压敏电阻RVq 用缓冲器抑制开关管通、断时的过电压用缓冲器抑制开关管通、断时的过电压7.2.3 开关管串并联均压均流保护开关管串并联均压均流保护q 开关管并联使用时要均流开关管并联使用时要均流串串Lq P-MOS管通态电阻管通态电阻rT温度系数为正温度系数为正(温度高，温度高，rT大大)开关管并联自动均开关管并联自动均流。流。BJT的的rT温度系数为负，不宜温度系数为负，不宜并联使用。并联使用。IGBT大电流时，大电流时，rT温温度系数为正。度系数为正。q 开关管串联使用时要均压开关管串联使用时要

15、均压并并RCq 取取R11=R12远小于远小于rT1、rT2稳压均压稳压均压q 取取R13=R14，C13=C14动态均压动态均压7.3 开关器件的开通、关断过程及安全工作区开关器件的开通、关断过程及安全工作区7.3.1 7.3.1 线路电感线路电感L L=0=0时开关器件的开通关断过程时开关器件的开通关断过程7.3.2 7.3.2 线路电感线路电感L L00时开通、关断过程时开通、关断过程7.3.3 7.3.3 安全工作区安全工作区7.3 开关器件的开通、关断过程及安全工作区（续开关器件的开通、关断过程及安全工作区（续1）可以近似认为在一个开关周期Ts=Ton+Toff期间io=Io不变，开

16、通关断过程中iT线性变化断态：断态：+VG=0，rT= ，iT=0，D续流Io，VT=VD，A点通态：通态：有+VG，rT=0，iT=Io，D截止，VT=0，C点7.3 开关器件的开通、关断过程及安全工作区（续开关器件的开通、关断过程及安全工作区（续2）q 开通：断态开通：断态通态，通态，rT从从 0，iT从从0线性上升至线性上升至Io，VT从从VD I0q 关断：通态关断：通态断态，断态，rT从从0 ，iT从从Io线性下降至线性下降至0，VT从从0 VDq开通过程中工作点如何从开通过程中工作点如何从A过渡到过渡到C？ VT按什么规律降至按什么规律降至0？q关断过程中工作点从关断过程中工作点从

17、C如何过渡到如何过渡到A？qVT按什么规律上升至按什么规律上升至VD？取决于电？取决于电 路中的电感路中的电感L及开关管的并联电容及开关管的并联电容C7.3 开关器件的开通、关断过程及安全工作区开关器件的开通、关断过程及安全工作区（续（续3）q 无串联电感时：无串联电感时： 开通过程：开通过程：ABC(高压下高压下电流上升电流上升AB，负载电流，负载电流下电压下降下电压下降BC） 关断过程：关断过程：CBA (负载电负载电流下电压上升对应流下电压上升对应CB，高压下电流下降对应高压下电流下降对应BA） q 有串联电感时：有串联电感时： 开通过程开通过程AQEC，比，比ABC好好 关断过程关断过

18、程CBHPA，比，比CBA差差7.3.1 线路电感线路电感L=0时开关器件开通关断过程时开关器件开通关断过程7.3.1 线路电感线路电感L=0时开关器件开通关断过程（续时开关器件开通关断过程（续1）q 有有+VG后延时后延时td，rT从从0，有，有-VG，经存储时间，经存储时间trv，rT 从从0 q 开通：开通：rT，iT Io之前，之前，D仍导电，仍导电，VT=VDq 在在tri期间期间it Io，D仍导电，仍导电，VT VD，AB。 此后，在此后，在tfv期间，期间，iT=Io，D截止，截止，rT，VT 0，BCq 关断：关断：rT，在，在trv期间期间VT VD，D仍截止，仍截止，iT

19、 Io，CB 此后，在此后，在tfi期间期间VT=VD，D导电，导电，rT，iT 0，BA7.3.1 线路电感线路电感L=0时开关器件开通关断过程（续时开关器件开通关断过程（续2）q 开通开通电流电流iT上升期：上升期：iT=Iot / tri (7-1)q 关断电流关断电流iT下降期：下降期：iT=Io(1-t /tfi ) (7-2)q 若认为若认为vT在开通关断过程中也呈线性变化在则：在开通关断过程中也呈线性变化在则： fvriontttfirvoffttt011()22ontonsTTDOrifvsDO onsPfv i dtV IttfV I tf（7-5）offtsoffODsfi

20、rvODTTsoffftIVfttIVdtivfP021)(21（7-6）7.3.2 线路电感线路电感L 0时开通、关断过程时开通、关断过程p开通：断态时，开通：断态时，VT=VD，iT=0。工作。工作点为点为A，有，有VG后，后，rT，iT=Io.t/tri,tri 期间上升时，期间上升时，D仍在导电，仍在导电，VT=VD-LdiT/dt=VD-LIo/tri=VQVD时，时，D导电导电iT线性减小，线性减小， vT= VD-LdiT/dt=VD+LIo/tfi=VCEP，工，工作点立即从作点立即从BH，在，在iT从从Io 0期间工期间工作点从作点从HP，一旦，一旦iT=0，工作点从，工作点

21、从PA(iT=0，VT=VD)7.3.3 安全工作区安全工作区q L=0时，开通轨迹时，开通轨迹ABC，关，关断轨迹断轨迹CBAq L 0时，开通轨迹时，开通轨迹AQEC，关断轨迹关断轨迹CBHPAq L改善了开通轨迹，恶化了改善了开通轨迹，恶化了关断轨迹关断轨迹q 安全工作区：安全工作区： VTVCEP，KJ线左侧线左侧 iTICM，NM线下方线下方 Pt=VTiT，功率限制线左下，功率限制线左下侧侧7.4 缓冲器缓冲器7.4.1 7.4.1 全控型开关管全控型开关管LCRDLCRD复合缓冲器复合缓冲器7.4.2 7.4.2 电力二极管、晶闸管的电力二极管、晶闸管的RCRC缓冲器缓冲器7.4

22、.3 P-MOSFET7.4.3 P-MOSFET、IGBTIGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器7.4.1 全控型开关管全控型开关管LCRD复合缓冲器复合缓冲器q 缓冲电路由缓冲电路由Ls、Cs、Ds、Rs组成，组成，T用于全控型开关管用于全控型开关管GTO、BJT、IGBT、P-MOS。q 串联电感串联电感Ls用于开通缓冲用于开通缓冲vT，类似于线路电感，类似于线路电感L 0时时的开通过程，开通轨迹为图的开通过程，开通轨迹为图7.12(C)中的中的AQEC，开通，开通时时iT，使，使VT=VD-LdiT/dt=VD-LIo /tri=VQVD7.4.1 全控型开关管全控型开关管LCRD复

23、合缓冲器复合缓冲器(续续1)q 并联电容并联电容Cs用于关断缓冲用于关断缓冲vTq 关断关断T时，时，rT，VT=rTiT，在在VTVD时，时，D0仍反偏截止。仍反偏截止。iL=iT+iC Io不变，不变，iT=Io(1-t/tfi)下降，下降，iC=Iot/tfi上升，上升，VC=VT充电上升。若在充电上升。若在tfi期间，期间，iT0，iCIo，使，使CTCTci dttvvtfif fi iD DS SS SD DD Dt t 0 0f fi io o1 1V VV VV V临临界界关关断断缓缓冲冲C C2 2I I( () )则则C C t t ，V V2 2V V工工作作点点从从C

24、CA A7.4.1 全控型开关管全控型开关管LCRD复合缓冲器复合缓冲器(续续2)()CTCTo oSfiDSfiDD D2 2I It tC C t t ，v v vV,vV,工工作作点点从从CACAt tfifi2V2Vq 此后，此后，T已关断，已关断，iL继续对继续对Cs充电到充电到iL=0，VC=VT=VCEP，解，解VD、LS、CS电路微分方程，得到：电路微分方程，得到：q 最后，最后，Vo=VCEP经经RS对电源放电，使对电源放电，使iC=iR0。VC=VT=VD，关断轨迹为关断轨迹为CAPA。22002/1/1ssssCRCL20SCEPDmmoDmSVVVVeVVaLIC，r

25、rv vf fi i关关断断损损耗耗：无无关关断断缓缓冲冲时时：若若t t t t ，则则o of ff ff fi it tt t o of ff fs sT T T Ts sT T T TDD o o f fi i s s0 00 0 o of ff fo of ff f1 1P Pf fi i v v d dt t f fi i v v d dt tV V I I t t f f1 12 2P P P P / /1 12 2o of ff ft to of ff fs sT TT TD D O Oo of ff fs s0 01 1P Pf fv v i id dt tV V I I t

26、 tf f2 2图7.13复 合 缓 冲器TiCMImaxCPoICEQOAPDVCEPVCEOVTVQV(c） 开 关 轨迹CASLTiDVTDi+-SCSRSDEORiSiCiCvLiTvOD(a） 电 路RLfLoVfCovofIi oI(b） 开 通 关 断 过 程 波 形图开 通通 态关 断断 态开 通断 态1t2t3t4t5t6t7tpt8t21t22t23tTrTvGvTioIDVQVdtritfvtfitTiGvTvstCEPVCtifoSLStILV/Tv24tDV7.4.1 全控型开关管全控型开关管LCRD复合缓冲器复合缓冲器(续续3)例题例题7.1(Book P.254)

27、 BUCK DC/DC变换器变换器VD=200V，Io=10A， Vo=100V，fs=20KHz，Po=1kW。tri=tfr=tfi=trv=0.75s， Ls=3H，Cs取为临界关断电容，取为临界关断电容，Rs=40，求开关损耗并，求开关损耗并画出画出 开关轨迹。开关轨迹。7.4.2 电力二极管、晶闸管的电力二极管、晶闸管的RC缓冲器缓冲器q由上例，串联电感由上例，串联电感Ls(开通缓开通缓冲冲)对减少开通损耗作用不大，对减少开通损耗作用不大，同时同时Ls使关断时使关断时VT增大到增大到VCEP(超过超过VD 50)，为了简化，为了简化缓冲电路，常不引入串联电感缓冲电路，常不引入串联电感

28、Ls，这时图，这时图7.12(a)变为变为7.13(a)q图图7.13(a)所示所示R、C、D缓冲缓冲电路常用于保护晶闸管电路常用于保护晶闸管q图图7.13(a)再取消再取消DS，仅有，仅有RS、CS的缓冲电路常用于保护电的缓冲电路常用于保护电力二极管力二极管7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器q 关断过程：关断过程： rt，在，在vT从从0 VD期间期间D0、D仍反偏截止，仍反偏截止， iL=iT=Io，工，工作点从作点从CB vT略大于略大于VD后，后，D0导电，导电，iT 0的的tfi期间，期间，iC使使C充电，充电，VC=VT，D导电导电l通态时，iL

29、=iT=Io，D0、D截止，C充电到VC=VDTi0(1 cos)BMLTMCMDoDof if idiVVVLdtLIVtt可求得： 时工作点从7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器(续续1)q CB q BMq MP，iT=0，VC=VT=VCM=VTM后，后，T关断，关断，iL继续对继续对C充电充电, iL=0时时vC=vT=VTP=VCPq PA，VC=VT经经L、电源、电源、R放电至放电至VD ，关关断轨迹为：断轨迹为：CBMPA7.14( ):0,2(1 cos)LOTPCPDo fifiLIdiVVVtt由图时7.4.3 P-MOSFET、IGBT

30、的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器(续续2)q 断态时，断态时，iT=0，VT=VC=VD，D0续流续流q 开通过程：开通过程：AF，rT，iT=iL Io的的tri期间，期间，D0仍仍导电，导电，VT，C经经T、R放放电，电，D截止，截止，iT=Io时，工时，工作点从作点从AF7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器(续续3)07.14 e(1)(1)11(1)1(1)R2,riRtOLLTTFDDriRtOLDriRooLCCFDcDriRooLDririt tttririttriritriLIdiVVVLVedttLIVetLILILVVVi dtVeCRCR

31、CRtLILILVeRCRCRtLtCT0T由图（ ）得到i 从0I 时的v :由于阻尼放电电阻在期间，DCFDCVVV从放电很少，仅略小于7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器(续续4)q 开通过程开通过程中：中：FC，iT=Io时，时，VT=VTF，D0、D截止，截止，rT，VT0，VCVD，工作点从，工作点从FC7.4.3 P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器(续续5)q 无论通态、断态无论通态、断态vC都为都为VD，开关过程中开关过程中vC变化也不大，变化也不大，仅在关断过程中仅在关断过程中VT超过超过VD后，后，C才起作用才起作用

32、限幅限幅缓冲，广泛应用于缓冲，广泛应用于IGBT的的 DC/DC、DC/AC变换变换器器例题例题7.27.2VD=220V，Io=50A，L=2H，C=5F，R=5，tfi=1.5S，tri=1S，确定开通关断轨迹解得：关断时：M点，VTM=VCM=227.4V(不大，Poff小) P点，VTP=VCP=251.3V 开通时：F点，VTF=128V(很低，Pon小)，VCF=217.5V电容电压变化范围小：217.5-220-227.4V开关管最高电压仅251.3V(VD=220V)7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器7.5.1 7.5.1 电感

33、电感( (电抗器电抗器) )7.5.2 7.5.2 方波变压器方波变压器7.5.1 电感电感(电抗器电抗器)q 电路：电压V克服电阻R产生电流I，V=R1I+R2I，R=l/Sc=l/Scq 磁路：磁压F(NI)克服磁阻产生磁通，F(NI)=Rmo+Rmc，Rm=l/Sc00000000000000000/0.41.2610.41.26/ccccccccccccccccllBBFNIll NIHlHlssNININIBllllllNINIBllll 导铁对导空空气气中中的的磁磁率率：心心相相磁磁率率：7.5.1 电感电感(电抗器）电抗器） (续续1)q 单位：I(A)，l0、lc(cm)，L(

34、H)，(麦克斯韦MX)，B(MX/cm2高斯GS)q 按以上各式设计铁芯电感8-8-028-8-0001010261101026126140 CccccNSLIBlSNBINSINLlNIllNIllNIB././.又，又，7.5.2 方波变压器方波变压器qBm相同时，正弦电压有效值高10q电压相同时，正弦电压的m，Bm可小10磁磁链链：方方波波电电压压：正正弦弦电电压压：m1m1mcm1m1mc8 88888mmmcmc11118888mmmmmcmmmcmm8 8111mc111mc N N NBSNBS2 2 1010d d (t)(t)VE104fNB S10VE104fNB S10d

35、tT/2dtT/2 sinsin t t，V V 102102 fNB S10fNB S10V VVE4.44fN B S10VE4.44fN B S102 2例题例题7.3脉冲变压器设计脉冲变压器设计VD=15V，R=50，铁芯Bm=10000GS时，m=1A/cm2，Br=5000，要求输出脉冲电压V=10V，脉宽T=200s 解：选选用用, ,铁铁芯芯、磁磁路路长长, ,则则匝匝匝匝由由有有：磁磁化化电电流流：8888DD11c1mrc11c1mrc2 2cccc8 86868DD1 1c c2 221211 11 mmC1 mmCmCmCmm1 1d d V1010V1010dtdt

36、t t N N N N SNBBSSNBBSS0.5cml6cmS0.5cml6cmV T10V T10152001010152001010N120N120 BS(100005000)0.5BS(100005000)0.5V VN1.2N96N1.2N96V VN iHlN iHlHlHl1 61 6i0.05i0.05N120N120图7.17 脉冲变压器及单边磁化曲线7.5.2 例题例题7.3脉冲变压器设计脉冲变压器设计(续续1)q 负载电流：I2m=V2 / R=10/50=0.2Aq磁化电流：im=Hmlc/N1=0.05Aq负载电流折算至N1：I2m=i2mN2/N1=0.16A2

37、22 22 22 2mm2 2mm1 1i ii ii i 0 0. .1 16 60 0. .0 05 50 0. .1 17 7A A选用直径选用直径0.2mm导线：导线：q=/40.22=0.0314电流密度：电流密度：j=i/q=5.5A/mm2磁通单方向变化磁通单方向变化B=Bm-Br，利用率不高，利用率不高若磁通双向变化，则若磁通双向变化，则B=Bm-(-Bm)=2Bm，铁芯利，铁芯利用率高用率高23倍或倍或SC，N可小可小23倍倍图7.17 脉冲变压器及单边磁化曲线7.6 滤波器滤波器7.6.1 7.6.1 滤波器功能、类型滤波器功能、类型7.6.2 LC7.6.2 LC滤波器的

38、特性分析滤波器的特性分析7.6.3 7.6.3 谐振滤波器谐振滤波器7.6.1 滤波器功能、类型滤波器功能、类型q 电力电子变换中，开关管周期性通断变换，输出电压是周期性，幅值为VD的脉波q DC/AC逆变电路的输出电压V2除基波V21外，还有高次谐波电压V2hq 输出电流除了基波电流i21外，还有高次谐波电流i2hq Lo感抗XL=2fhLo，fh高，XLh大q Co容抗Xc=1/2fhCo，fh高，XLc小7.6.1 滤波器功能、类型滤波器功能、类型(续续1)q 谐波电压谐波电压V2h几乎全部压降在几乎全部压降在Lo上上q 谐波电流谐波电流I2h几乎全部流入几乎全部流入Coq 使输出电压中

39、使输出电压中VLh很小，负载中很小，负载中iLh很小很小q Lo、Co对基波电压电流的影响分析：对基波电压电流的影响分析： 负载基波电流负载基波电流iL1在在Lo上产生基波压降上产生基波压降 ，VL1在在Co中产生中产生基波电容电流流过基波电容电流流过Lo和开关管和开关管7.6.1 滤波器功能、类型滤波器功能、类型(续续2)q AC/DC整流电路输入电流整流电路输入电流i1除基波电流除基波电流i11外，还有谐波外，还有谐波i1hq L1对谐波电流阻抗大，对谐波电流阻抗大，C1对谐波电流阻抗小对谐波电流阻抗小q I11中的谐波电流几乎全部流入中的谐波电流几乎全部流入C1，使电源电流，使电源电流i

40、sis1q L1、C1对基波电压电流的影响分析：对基波电压电流的影响分析： 基波电流基波电流is1在在L1上产生基波压降上产生基波压降 V1在在C1中产生基波电容电流，流过中产生基波电容电流，流过L1及交流电源及交流电源7.6.1 滤波器功能、类型滤波器功能、类型( (续续3)3)q 滤波器类型：滤波器类型： 按放置位置分按放置位置分：输入滤波器、输出滤波器、中间滤波器：输入滤波器、输出滤波器、中间滤波器 按电路架构分按电路架构分：LC串、并联滤波器和串、并联滤波器和LC谐振滤波器谐振滤波器(7.6.3节节)q 中间滤波器：中间滤波器：L2、C2的输入输出都是直流的输入输出都是直流 它把整流电

41、路输出的直流电压中的谐波降落在它把整流电路输出的直流电压中的谐波降落在L2上，减小上，减小C2端端的谐波电压的谐波电压 它把逆变器输入断的谐波电流流入它把逆变器输入断的谐波电流流入C2，减小，减小L2中的谐波电流中的谐波电流7.6.2 LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析q 用用j代替代替S得到得到LoCo滤波滤波器对不同频率器对不同频率的电压衰的电压衰减系数为：减系数为：ooooooL L 、C C 滤滤波波器器的的传传递递函函数数L L 、C C 滤滤波波器器的的谐谐振振角角频频率率：L L 、C C 滤滤波波器器的的阻阻尼尼系系数数：0 00 0L L2 20 02 20 02 20 0

42、0 00 00 00 00 00 00 00 00 0R R S SC CR R1 1/ /S SC Cv v1 1( (S S) )R R S SC CS SS Sv vS SL L2 2 1 1R R1 1/ /S SC C 1 1 L L C CL L / /C C L L1 1 2 2R R2 2R R幅频特性逆变器输出滤波电路2 2L L2 20 00 00 0v v / /v v1 1/ /( (u uj j 2 2 u u1 1) ) u u L L1 1 C C 相相对对频频率率：7.6.2 LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析(续续1)q 0越小越小(L0C0大大)，谐波衰减

43、量越大，谐波衰减量越大q 谐振频率谐振频率越高，谐波衰减量越大越高，谐波衰减量越大 v v L L2 2相相对对频频率率：阻阻尼尼系系数数：u u大大或或 大大，则则 / / 小小如如果果选选择择而而则则2 2L LL L2 20 02 22 22 22 20 00 00 00 00 00 00 02 20 00 00 00 02 2L L2 20 0v v1 1v v ( ( ) )/ /v v ( ( ) )1 1/ /( ( u uj j 2 2 u u 1 1) )u u v v（1 1 u u ） （2 2 u u） u u L L C C 1 1 L LR RL L / /C C2

44、 2R R2 2u u 1 1, , 1 1L L C C v v / /v v( ( ) )逆变器输出滤波电路幅频特性7.6.2 LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析(续续2)q 幅频特性物理说明：幅频特性物理说明： u=/0=10，=0时，时，VL/V2=0.01，衰减，衰减40dB u=/0=5，=0时，时，VL/V2=0.0416，衰减，衰减27.6dB u=/0=5，=0.5时，时，VL/V2=0.0408，衰减，衰减27.8dBq 相频特性：相频特性： u=/0=1，VL滞后滞后V2 90(公式公式7-69)7.6.2 LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析(续续3) 210u空载时

45、L L2222222 2000000000000000000v v1 1u u v v（1 u ） （2u）（1 u ） （2u）u u L C L C ，L Cu/，L Cu/1 1 LRL /C2R LRL /C2R2 2相对频率：相对频率：阻尼系数：阻尼系数：q 根据要求的根据要求的LC滤波器对谐波滤波器对谐波的衰减的衰减系数，如系数，如(uL/u2()=0.01，40dB)，可，可以得知相对频率以得知相对频率u及及LoCo的谐振频率的谐振频率 由此可设计由此可设计LoCo 。000(1 /)L C幅频特性逆变器输出滤波电路7.6.2 LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析(续续4)q 1

46、小小(L1,C1大），谐波电大），谐波电流频率流频率越高，则越高，则Kih越小，越小，Ish越小越小11:lhihLCiK对谐波电流 的衰减率shc1shc1ihih2 2lhc1L11111lhc1L111112 2111111111111112 2shsh1 1ihihlhlhIZIZ111111K KIZZCL1CL C1IZZCL1CL C1L CL C 的的谐谐振振频频率率1L C1L C时时，L C1L C1I IK KI I7.6.2 LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析(续续5)q 设计设计LC滤波器的一般要求：滤波器的一般要求：(1) 负载上的单次谐波电压和总谐波负载上的单次

47、谐波电压和总谐波电压降低到允许范围内；电源中电压降低到允许范围内；电源中单次谐波电流和总谐波电流降低单次谐波电流和总谐波电流降低到允许范围内。到允许范围内。(2) C0中的电流不过分增加开关器件中的电流不过分增加开关器件的电流；的电流；C1的基波电流不致过分的基波电流不致过分增加电源的电流。增加电源的电流。(3) 滤波电感基波阻抗不大，负载变滤波电感基波阻抗不大，负载变化时开关电路输入电压波动不大，化时开关电路输入电压波动不大，负载电压波动不大。负载电压波动不大。(4) 滤波器滤波器LC电压、电流的电压、电流的kVA值小，值小，成本低、体积小、重量轻。成本低、体积小、重量轻。 7.6.3 谐振

48、滤波器谐振滤波器7.7 散热系统散热系统(散热器散热器-风冷、水冷、油冷风冷、水冷、油冷) 环境环境A A管壳管壳C C器件管芯器件管芯PNPN结结J J带散热器的开关器件带散热器的开关器件 散热器散热器S S热等效电路热等效电路CjPi iCCjRjCRCSCSs sCARSACS差差发发散散单单位位热热功功率率的的温温度度热热阻阻热热流流功功率率有有热热欧欧姆姆定定律律：温温度度差差单单位位电电流流的的电电压压差差，电电阻阻电电流流对对应应PRRPIVRRIV/功耗发热功耗发热空气介质空气介质散热器散热器管壳管壳半导体半导体ASCJooo201530jcR CSR SAR 120 0.060.030.04P=500W90 75 55 热容量热容量C：温度每升高温度每升高1度所需的度所需的热量焦耳值。热量焦耳值。焦耳焦耳=瓦秒瓦秒7.7 例题例题7.4，散热器尺寸选择，散热器尺寸选择q