電力電子關(guān)鍵器件設(shè)計(jì)匯編

1、電力電子(dinz)關(guān)鍵器件設(shè)計(jì)溫志偉 2012年9月4日共四十七頁(yè)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(jì)變壓器設(shè)計(jì)MOS管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)共四十七頁(yè)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(jì)變壓器設(shè)計(jì)MOS管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)共四十七頁(yè)4電力電子(dinz)關(guān)鍵器件：開(kāi)關(guān)器件開(kāi)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(dòng)、工作頻率、功率等級(jí)？共四十七頁(yè)5電力電子關(guān)鍵(gunjin)器件：無(wú)源元件無(wú)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(yè)6電力電子關(guān)鍵(gunjin)器件：PWM IC驅(qū)動(dòng)(q dn)、保護(hù)(過(guò)/欠壓、過(guò)流、過(guò)溫)電源實(shí)物共四十七頁(yè)電力電子關(guān)鍵器件反激變換器工作原理(yunl)電感設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì)MOS管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)7共四十七頁(yè)8反激變換器反激主電路(dinl)反激電路(dinl)特點(diǎn)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(diǎn)電源設(shè)計(jì)入門(mén)：完整掌握RCD反激變換器設(shè)計(jì)，熟悉384X系列芯片開(kāi)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(chǎng)合效率不高共四十七頁(yè)9Fly-back 設(shè)計(jì)(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(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力拓?fù)溥x擇工作模式開(kāi)關(guān)管磁性元件吸收電路控制回路參數(shù)設(shè)計(jì)變壓器、電感設(shè)計(jì)MOSFET、整流橋、二極管輸入、輸出電容設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)器件選型損耗計(jì)算共四十七頁(yè)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(yè)11CCM 狀態(tài)(zhungti)2輸入輸出關(guān)系(gun x)：開(kāi)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(yè)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(kāi)始增加共四十七頁(yè)13DCM狀態(tài)(zhungti)2狀態(tài)(zhungti)2：T-OFF D-ON共四十七頁(yè)14DCM 狀態(tài)(zhungti)3二極管實(shí)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(yè)15電路(dinl)原路圖共四十七頁(yè)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(jì)變壓器設(shè)計(jì)MOS管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)共四十七頁(yè)17電感(din n)設(shè)計(jì)：磁芯鐵氧體硅鋼片鐵硅鋁鐵鎳 合金非晶相對(duì)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(jià)格較低便宜中較高貴共四十七頁(yè)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(jiǎn)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(yè)19電感(din n)設(shè)計(jì)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(jì)算電感量：電感匝數(shù)2：依據(jù)電路參數(shù)計(jì)算Lm電感

6、匝數(shù)1：B: 磁感應(yīng)強(qiáng)度，Ae磁芯截面積，AL: 每匝電感量共四十七頁(yè)20漆包線用途(yngt)：溫度：形狀：漆包線分類(lèi)(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(yè)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(yè)22銅損假定(jidng)：工作頻率在50150KHz，線徑選擇時(shí)已考慮集膚效應(yīng)導(dǎo)線(doxin)長(zhǎng)度電阻率導(dǎo)線截面積精確計(jì)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(jì)算損耗共四十七頁(yè)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(guò)程中，磁化狀態(tài)不是隨著磁化強(qiáng)度變化而立即變化到它的最終狀態(tài)，而是需要一個(gè)過(guò)程，這個(gè)“時(shí)間效應(yīng)” 便是引起剩余損耗的原因磁芯損耗共四十七頁(yè)24磁芯損耗(snho)計(jì)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(jì)在80-100共四十七頁(yè)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(shí)單位(dnwi)磁損增大開(kāi)關(guān)頻率：頻率降低，磁損減少；同時(shí)磁芯增大，Lm增大，銅損增加銅損等于磁損時(shí)，總損耗最低共四十七頁(yè)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(jì)變壓器設(shè)計(jì)MOS管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)共四十七頁(yè)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(kāi)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(jì)(shj)要求：體積小，低損耗占空比超過(guò)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(yè)28電感設(shè)計(jì)(shj)：電感計(jì)算原邊電流(dinli)T的平均值 Ton內(nèi)的平均電流 設(shè)滿載時(shí)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(shí)質(zhì)是個(gè)儲(chǔ)能電感共四十七頁(yè)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(yè)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(kāi)通時(shí)間：ton，Mos由截止到導(dǎo)通的過(guò)渡時(shí)間，越小越好關(guān)斷時(shí)間：toff，Mos由導(dǎo)通到截止的過(guò)渡時(shí)間，越小越好輸出電容：Coss，越小越好，與Rdson矛盾共四十七頁(yè)31MOS管選擇(xunz)600V應(yīng)力的MOS管MOS管應(yīng)力(yngl)計(jì)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(yè)32損耗(snho)計(jì)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(guò)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(gè)小電阻Rdsont2t3: T從OFF到ON過(guò)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(jí)MOS管電壓、電流共四十七頁(yè)33MOS損耗(snho)計(jì)算導(dǎo)通損耗(snho)Pon截止損耗Poff開(kāi)啟過(guò)程損耗Poff-on關(guān)斷過(guò)程損耗Pon_off驅(qū)動(dòng)損耗PgsPdsMOS的結(jié)溫可到175，一般設(shè)計(jì)其工作100左右，查100的Rdson零電流關(guān)斷ZCS，零電壓開(kāi)通ZVS共四十七頁(yè)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(yè)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(jì)變壓器設(shè)計(jì)MOS管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)共四十七頁(yè)36二極管材料：特性(txng)：用途：二極管分類(lèi)(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(wú)反向恢復(fù)開(kāi)關(guān)特性反向恢復(fù)特性共四十七頁(yè)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(shí)間：trr 越小越好共四十七頁(yè)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(yè)39二極管損耗(snho)Vf-If曲線(qxin)模擬Vf-If曲線估算：準(zhǔn)確計(jì)算：反向恢復(fù)損耗自查資料共四十七頁(yè)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(jì)變壓器設(shè)計(jì)MOS管設(shè)計(jì)二極管設(shè)計(jì)電容設(shè)計(jì)共四十七頁(yè)41電容(dinrng)分類(lèi)鋁電解電容：鉭電

14、解電容：瓷片電容(dinrng)：薄膜電容：獨(dú)石電容：電容分類(lèi)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(jí)電容共四十七頁(yè)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(chēng)

15、容值：依據(jù)紋波大小、維持時(shí)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(yè)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(chēng)容值電容電壓電流共四十七頁(yè)44建議(jiny)推薦書(shū)籍：趙修科開(kāi)關(guān)電源中磁性元器件 王志強(qiáng)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)熟悉反激變換器設(shè)計(jì)，修改原電路輸入輸出參數(shù)，自己設(shè)計(jì)變壓器、調(diào)試和測(cè)試電路建立電路模型(mxng)，控制環(huán)路設(shè)計(jì)增加電路功能，如啟動(dòng)電路、輸入高低壓保護(hù)等熟悉各類(lèi)反激拓?fù)?RCD/雙管/交錯(cuò)/有源鉗位)共四十七頁(yè)45Q&A共四十七頁(yè)46Thank you共四十七頁(yè)內(nèi)容摘要電力電子關(guān)鍵器件設(shè)計(jì)。電力電子關(guān)鍵器件：開(kāi)關(guān)器件。IGBT與MOS管區(qū)別：驅(qū)動(dòng)、工作頻率、功率等級(jí)。電源設(shè)計(jì)入門(mén)：完整掌握RCD反激變換器設(shè)計(jì)，熟悉384X系列芯片。