電力電子關(guān)鍵器件設(shè)計匯編

1、電力電子(dinz)關(guān)鍵器件設(shè)計溫志偉 2012年9月4日共四十七頁2電力電子關(guān)鍵器件反激變換器工作(gngzu)原理電感設(shè)計變壓器設(shè)計MOS管設(shè)計二極管設(shè)計電容設(shè)計共四十七頁3電力電子關(guān)鍵器件反激變換器工作(gngzu)原理電感設(shè)計變壓器設(shè)計MOS管設(shè)計二極管設(shè)計電容設(shè)計共四十七頁4電力電子(dinz)關(guān)鍵器件：開關(guān)器件開關(guān)器件：同一種(y zhn)器件，多種封裝，TO-247，TO-220，DO、模塊、SMDIGBTMOSFET整流橋晶閘管二極管IGBT與MOS管區(qū)別：驅(qū)動、工作頻率、功率等級？共四十七頁5電力電子關(guān)鍵(gunjin)器件：無源元件無源元件：外觀(wigun)、封裝亦是多變

2、電感變壓器電容共四十七頁6電力電子關(guān)鍵(gunjin)器件：PWM IC驅(qū)動(q dn)、保護(過/欠壓、過流、過溫)電源實物共四十七頁電力電子關(guān)鍵器件反激變換器工作原理(yunl)電感設(shè)計變壓器設(shè)計MOS管設(shè)計二極管設(shè)計電容設(shè)計7共四十七頁8反激變換器反激主電路(dinl)反激電路(dinl)特點輸入電壓寬泛元件少，體積小，成本低電路發(fā)展成熟、拓?fù)潇`活多變反激電路特點電源設(shè)計入門：完整掌握RCD反激變換器設(shè)計，熟悉384X系列芯片開關(guān)管電壓應(yīng)力大直流偏磁，磁芯損耗大ZVS較難廣泛應(yīng)用于中小功率(1W1000W)、效率要求不高的場合效率不高共四十七頁9Fly-back 設(shè)計(shj)步驟CCM

3、 / DCM調(diào)制方式(fngsh)調(diào)頻、恒頻拓?fù)溥x擇效率要求成本要求輸入電壓范圍開關(guān)管電壓應(yīng)力拓?fù)溥x擇工作模式開關(guān)管磁性元件吸收電路控制回路參數(shù)設(shè)計變壓器、電感設(shè)計MOSFET、整流橋、二極管輸入、輸出電容設(shè)計參數(shù)設(shè)計器件選型損耗計算共四十七頁10CCM 狀態(tài)(zhungti)1n=N2/N1二極管電壓(diny)應(yīng)力：電流公式：狀態(tài)1：T-ON共四十七頁11CCM 狀態(tài)(zhungti)2輸入輸出關(guān)系(gun x)：開關(guān)管電壓應(yīng)力：狀態(tài)2：T-OFF輸入輸出關(guān)系為nD/(1-D)，適應(yīng)寬范圍輸入電壓共四十七頁12DCM 狀態(tài)(zhungti)1狀態(tài)(zhungti)1：T-ON和CCM狀態(tài)1

4、相同，電感電流從0開始增加共四十七頁13DCM狀態(tài)(zhungti)2狀態(tài)(zhungti)2：T-OFF D-ON共四十七頁14DCM 狀態(tài)(zhungti)3二極管實現(xiàn)零電流(dinli)關(guān)斷（ZCS）一階電路，穩(wěn)定狀態(tài)3：T-OFF D-OFF變壓器體積大電流尖峰大，損耗較大共四十七頁15電路(dinl)原路圖共四十七頁16電力電子關(guān)鍵器件反激變換器工作原理電感(din n)設(shè)計變壓器設(shè)計MOS管設(shè)計二極管設(shè)計電容設(shè)計共四十七頁17電感(din n)設(shè)計：磁芯鐵氧體硅鋼片鐵硅鋁鐵鎳 合金非晶相對磁導(dǎo)率1000-10000-14/26/60/75/125/16014-550100-1000

5、0飽和磁密0.4-0.5T1.8T1.0T0.8T1.5T工作頻率200KHz50/60Hz200KHz200KHz100-300KHz直流偏置好差一般一般較好損耗極低大適中較低很低價格較低便宜中較高貴共四十七頁18磁芯規(guī)格(gug)環(huán)形(hun xn)、EE、EI、EC、RM、PQ、平面E型EE磁芯：成本低、制造簡單、大中小功率都合適PQ磁芯：耦合高、散熱好、繞線方便，成本適中成本、窗口利用率、繞線難度、散熱、線圈耦合程度共四十七頁19電感(din n)設(shè)計3選擇(xunz)磁芯材料：選擇鐵氧體或鐵粉芯選擇磁芯：選擇環(huán)形、EE、EC、PQ、RM計算電感量：電感匝數(shù)2：依據(jù)電路參數(shù)計算Lm電感

6、匝數(shù)1：B: 磁感應(yīng)強度，Ae磁芯截面積，AL: 每匝電感量共四十七頁20漆包線用途(yngt)：溫度：形狀：漆包線分類(fn li)單股線、多股線、利茲線Class A(130)，Class F(155) 、Class H(180)圓線、扁線共四十七頁21線徑選擇(xunz)cmf=65KHz導(dǎo)線(doxin)選擇：最小導(dǎo)線直徑為：0.6mm集膚深度：電流密度：依據(jù)散熱條件：1-10A/mm2, 5A/mm2選擇直徑為0.5mm*10共四十七頁22銅損假定(jidng)：工作頻率在50150KHz，線徑選擇時已考慮集膚效應(yīng)導(dǎo)線(doxin)長度電阻率導(dǎo)線截面積精確計算銅損：將電流曲線傅里葉分

7、解，基波和諧波依據(jù)肌膚效應(yīng)分別計算損耗共四十七頁23磁芯損耗(snho)損耗(snho)1：磁滯損耗損耗2：渦流損耗損耗3：剩余損耗磁疇：磁化前 磁化后B-H 曲線集膚效應(yīng)，磁密增加鐵氧體：100KHz，穿透深度18cm磁化或反磁化過程中，磁化狀態(tài)不是隨著磁化強度變化而立即變化到它的最終狀態(tài)，而是需要一個過程，這個“時間效應(yīng)” 便是引起剩余損耗的原因磁芯損耗共四十七頁24磁芯損耗(snho)計算鐵損與磁密、頻率(pnl)成正比PC40，EE42，B=0.2，100KHz75KHz? PC40, r=1.28, a=1.487, b=2.76磁芯的最低損耗一般設(shè)計在80-100共四十七頁25銅損

8、與鐵損平衡(pnghng)磁密B：B增大，N減少，銅損降低；同時單位(dnwi)磁損增大開關(guān)頻率：頻率降低，磁損減少；同時磁芯增大，Lm增大，銅損增加銅損等于磁損時，總損耗最低共四十七頁26電力電子關(guān)鍵器件(qjin)反激變換器工作原理電感設(shè)計變壓器設(shè)計MOS管設(shè)計二極管設(shè)計電容設(shè)計共四十七頁27電路(dinl)輸入輸出條件輸入交流電壓的范圍輸出功率輸入的電壓最大值效率90264Vrms30W374V0.8開關(guān)工作頻率輸出電壓輸入電壓的頻率最大占空比65KHz19V5060Hz0.45變壓器的作用：隔離，升降壓設(shè)計(shj)要求：體積小，低損耗占空比超過0.5，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差；RCD反激效率一

9、般為0.8-0.9共四十七頁28電感設(shè)計(shj)：電感計算原邊電流(dinli)T的平均值 Ton內(nèi)的平均電流 設(shè)滿載時的最小電流 最大電流 原邊電流有效值 原邊電感值 反激變壓器實質(zhì)是個儲能電感共四十七頁29原副邊匝數(shù)AP法則(fz)確定磁芯大小確定(qudng)匝比原副邊匝數(shù)原邊匝數(shù)副邊匝數(shù)共四十七頁30MOSFET datasheet額定電壓：30/45/60/100/150/200/300/400/600/650/800/900/1000/1200V 需滿足降額，最高電壓為額定電壓的0.70.9倍.額定電流：按照最大有效電流值Ief選擇(xunz)，額定電流為(1.52)Ief瞬態(tài)電

10、流：MOS管能承受的最大脈沖電流通態(tài)電阻：Rdson越小越好，額定電壓越高，Rdson越大；額定電流越大，Rdson越小 溫度越高， Rdson越大開通時間：ton，Mos由截止到導(dǎo)通的過渡時間，越小越好關(guān)斷時間：toff，Mos由導(dǎo)通到截止的過渡時間，越小越好輸出電容：Coss，越小越好，與Rdson矛盾共四十七頁31MOS管選擇(xunz)600V應(yīng)力的MOS管MOS管應(yīng)力(yngl)計算公式輸入電壓最大值副邊電壓折算假設(shè)Vspike=100V共四十七頁32損耗(snho)計算狀態(tài)(zhungti)1：T-ON狀態(tài)2：T-OFFt0- : T關(guān)閉t0t1: T從OFF到ON過渡，VDS逐漸

11、下降，IDS由0逐漸上升t1t2: T處于導(dǎo)通狀態(tài)，Mos相當(dāng)于一個小電阻Rdsont2t3: T從OFF到ON過渡，VDS逐漸上升，IDS由0逐漸下降t3t4: T處于截止?fàn)顟B(tài)，DS間只有很小的漏電流，uA級MOS管電壓、電流共四十七頁33MOS損耗(snho)計算導(dǎo)通損耗(snho)Pon截止損耗Poff開啟過程損耗Poff-on關(guān)斷過程損耗Pon_off驅(qū)動損耗PgsPdsMOS的結(jié)溫可到175，一般設(shè)計其工作100左右，查100的Rdson零電流關(guān)斷ZCS，零電壓開通ZVS共四十七頁34散熱器MOS管結(jié)溫能到175，一般(ybn)讓MOS管工作在100220-AB,220-fullpa

12、ckage，TO-247共四十七頁35電力電子關(guān)鍵器件反激變換器工作(gngzu)原理電感設(shè)計變壓器設(shè)計MOS管設(shè)計二極管設(shè)計電容設(shè)計共四十七頁36二極管材料：特性(txng)：用途：二極管分類(fn li)硅管，鍺管，碳化硅二極管肖特基二極管，快恢復(fù)二極管穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管等二極管ZCS，無反向恢復(fù)開關(guān)特性反向恢復(fù)特性共四十七頁37二極管關(guān)鍵(gunjin)參數(shù)額定電壓：30/45/60/100/150/200/300/400/600/650/800/900/1000/1200V 需滿足降額，最高電壓為額定電壓的0.70.9倍.額定電流：按照最大平均電流值Ief選擇，額定電流為(1.52

13、)Ief瞬態(tài)電流(dinli)：二極管能承受的最大脈沖電流(dinli)正向壓降：Vf越小越好，額定電壓越高， Vf越大；額定電流越大， Vf越小 溫度越高， Vf越小反向恢復(fù)時間：trr 越小越好共四十七頁38二極管耐壓選擇(xunz)100V應(yīng)力的二極管副邊二極管上承受的最大反向(fn xin)電壓為:Uo+nUd共四十七頁39二極管損耗(snho)Vf-If曲線(qxin)模擬Vf-If曲線估算：準(zhǔn)確計算：反向恢復(fù)損耗自查資料共四十七頁40電力電子關(guān)鍵器件反激變換器工作(gngzu)原理電感設(shè)計變壓器設(shè)計MOS管設(shè)計二極管設(shè)計電容設(shè)計共四十七頁41電容(dinrng)分類鋁電解電容：鉭電

14、解電容：瓷片電容(dinrng)：薄膜電容：獨石電容：電容分類容值大，1uF1F，頻率特性差，損耗大，壽命短，用于直流濾波容值較大，0.1-1000uF，損耗、漏電小于鋁電解電容 頻率特性好，容值小1pF-1uF，體積小，高頻濾波頻率特性好，容值小10pF-10uF，體積小，諧振電容，EMI濾波頻率特性好，電容量穩(wěn)定,耐高溫耐濕性， 1pF-1uF，云母電容器、玻璃膜電容器、滌綸電容器、玻璃釉電容、紙質(zhì)電容器、超級電容共四十七頁42電解電容參數(shù)(cnsh)額定( dng)電壓：16/25/35/50/100/200/350/400/450， 需滿足降額，最高電壓為額定電壓的0.70.9倍.標(biāo)稱

15、容值：依據(jù)紋波大小、維持時間選擇，10/22/33/47/63/100uF ESR：串聯(lián)等效電阻，越小越好 正切角：tan=ESR/Xc, 越小越好電容等效模型共四十七頁43電容(dinrng)損耗等效(dn xio)電阻電容損耗f=120Hz，tan查表，C 標(biāo)稱容值電容電壓電流共四十七頁44建議(jiny)推薦書籍：趙修科開關(guān)電源中磁性元器件 王志強開關(guān)電源設(shè)計熟悉反激變換器設(shè)計，修改原電路輸入輸出參數(shù)，自己設(shè)計變壓器、調(diào)試和測試電路建立電路模型(mxng)，控制環(huán)路設(shè)計增加電路功能，如啟動電路、輸入高低壓保護等熟悉各類反激拓?fù)?RCD/雙管/交錯/有源鉗位)共四十七頁45Q&A共四十七頁46Thank you共四十七頁內(nèi)容摘要電力電子關(guān)鍵器件設(shè)計。電力電子關(guān)鍵器件：開關(guān)器件。IGBT與MOS管區(qū)別：驅(qū)動、工作頻率、功率等級。電源設(shè)計入門：完整掌握RCD反激變換器設(shè)計，熟悉384X系列芯片。