电力电子学陈坚课件

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1、电力电子学电力电子学电力电子变换和控制技术（第三版）陈陈 坚坚 编著编著1电力电子学陈坚课件第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器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 开关器件的开通、关断过程与安全工作区开关器件的开通、关断过程与安全工作区7.4 缓冲器缓冲器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 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源2电力电子学陈坚课件 电力电子变换器中，周期性地改变开关的通、断状态，可实现DC/DC、DC/AC、AC

2、/DC、AC/AC电力变换和控制。 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、电感、电容、变压器、滤波器、散热系统、辅助电源、控制系统等。 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3电力电子学陈坚课件电力电子变换器系统框图示例电力电子变换器系统框图示例4电力电子学陈坚课件第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器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 开关器件的开通、关断过程与安全工作区开关器件的开通、关断过程与安全工作区7.4 缓冲器缓冲器7.5 电

3、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 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源5电力电子学陈坚课件 晶闸管SCR的触发驱动器 GTO的触发驱动器 BJT的驱动器 P-MOSFET、IGBT的驱动器7.1 触发、驱动器触发、驱动器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触发驱动电压(电流电流)，开通或关断元器件，不同的开关，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，已有器件，不同的应用情况，要求不同的触发驱动器，已

4、有各类开关元器件的触发驱动器可供选用。各类开关元器件的触发驱动器可供选用。6电力电子学陈坚课件 晶闸管SCR的触发驱动器 GTO的触发驱动器 BJT的驱动器 P-MOSFET、IGBT的驱动器7电力电子学陈坚课件有隔离变压器的SCR触发驱动器nSCR只要求有脉冲电流触发其开通，脉冲电 流 Ig上升沿要陡，强触发数值要足够大（脉冲足以使 SCR立即开通） 8电力电子学陈坚课件有隔离变压器的有隔离变压器的SCR驱动器驱动器 SCR只要求有脉冲只要求有脉冲电流触发其开通，脉冲电流触发其开通，脉冲电流电流Ig上升沿要陡，强上升沿要陡，强触发数值要足够大（脉触发数值要足够大（脉冲足以使冲足以使SCR立即

5、开通）立即开通）晶闸管晶闸管SCR触发驱动器触发驱动器9电力电子学陈坚课件晶闸管晶闸管SCR触发驱动器触发驱动器 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 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必须能必须能承受电路的高压承受电路的高压 快速光耦响应时间可小于快速光耦响应时间可小于1.5s 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送触发器大都采用光纤电缆传送驱动信号驱动信号10电力电子学陈坚课件 晶闸管SCR的触发驱动器 GTO的触发驱动器 BJT的驱动器 P

6、-MOSFET、IGBT的驱动器11电力电子学陈坚课件GTO的触发驱动器的触发驱动器 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 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输输出出+ Ig触发其开通，并使触发其开通，并使C充电。充电。 要关断已处于通态的要关断已处于通态的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GTO12电力电子学陈坚课件 晶闸管SCR的触发驱动

7、器 GTO的触发驱动器 BJT的驱动器 P-MOSFET、IGBT的驱动器13电力电子学陈坚课件BJT理想驱动条件及理想波形理想驱动条件及理想波形BJT的驱动器的驱动器 基极驱动电流的波形：晶体管开通的瞬间，驱动电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多的前沿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状态；峰值电流，以保证晶体管迅速进入饱和状态； 基极电流的稳态值：应使晶体管处于饱和或临界饱基极电流的稳态值：应使晶体管处于饱和或临界饱和状态，以降低通态损耗；和状态，以降低通态损耗； 驱动电流后沿加一个较大的负电流

8、：以保证迅速地将晶体管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b-e之间的结间之间的结间存储电荷抽出，加快关断过程，降低开关损耗，并有利于提高开关频率。存储电荷抽出，加快关断过程，降低开关损耗，并有利于提高开关频率。 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。区工作的保护功能。14电力电子学陈坚课件BJT的驱动器及驱动波形的驱动器及驱动波形 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

9、态。最好有保持其通态。最好有-IB使其关断时间缩使其关断时间缩短，有较小的负基极电流维持其可靠的短，有较小的负基极电流维持其可靠的断态断态 与与R并联的并联的C提供了强触发提供了强触发+IG 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BJT 输入端为高电平时，输入端为高电平时，TR1断，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-iB15电力电子学陈坚课件 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点为高电位，经点为高电位，经R1使使T1导通，为导通，为B

10、JT提供提供+IB 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点为低点为低电位，电位，T2导通，导通，C经经T2、R2放电，为放电，为BJT提供关断电流提供关断电流-IB有光耦隔离的有光耦隔离的BJT的驱动器的驱动器16电力电子学陈坚课件BJT的其他驱动电路的其他驱动电路17电力电子学陈坚课件 晶闸管SCR的触发驱动器 GTO的触发驱动器 BJT的驱动器 P-MOSFET、IGBT的驱动器18电力电子学陈坚课件基于大脉冲电流基于大脉冲电流TTL驱动器驱动器 一一 般般 选选 取取 正正 UGE=1215V，关断过程中，为尽快使栅极输关断过程中，为

11、尽快使栅极输入电容放完电，并将入电容放完电，并将P-MOSFET或或IGBT置于反偏的最大安全工置于反偏的最大安全工作区，应施加一负偏压作区，应施加一负偏压UGE，但，但它受它受IGBT的的GE间最大反向耐压间最大反向耐压限制，一般取限制，一般取-2-10V19电力电子学陈坚课件有脉冲变压器的驱动器有脉冲变压器的驱动器 P-MOSFET、IGBT等都是电等都是电压型驱动器件，要求有持续的电压型驱动器件，要求有持续的电平平+VG使其开通并保持其通态；使其开通并保持其通态； 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，并维持其可靠的断态，并维持其可靠的断态 P有正信号输入时，有正信号输

12、入时，AM截止，截止，开通开通P-MOSFET；P = 0时，时， AM开通，开通，C放电，放电，P-MOSFET截止截止20电力电子学陈坚课件有光耦隔离的驱动器有光耦隔离的驱动器 P有正信号输入时，放大器有正信号输入时，放大器输出输出A点正电位使点正电位使T1导通，导通，P-MOSFET开通，并保持通开通，并保持通态态 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两两端电压抽出端电压抽出C电荷，并在电荷，并在P-MOSFET管上栅管上栅-源极加负压，源极加负压，使其关断并保持断态使其关断并保持断态21电力电子学陈坚课件第七章第七章 辅助元器件和系统

13、辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器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 开关器件的开通、关断过程与安全工作区开关器件的开通、关断过程与安全工作区7.4 缓冲器缓冲器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 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源22电力电子学陈坚课件n过电流保护n过电压保护n开关器件串联、并联应用时的均压、均流保护7.2 过电流保护和过电压保护23电力电子学陈坚课件n过电流保护n过电压保护n开关器件串联、并联应用时的均压、均流保护7.2 过电流保护和

14、过电压保护24电力电子学陈坚课件过电流保护过电流保护l可同时采用多种过流(过载、短路)保护，各尽所能协调配合，实现可靠地选择性保护。 电子保护：动作阈值高，延时小，封锁脉冲，停机 快速熔断器：既可作短路保护又可作过载保护 SCR被触发导通，烧断熔断器，切断电路 开关管设死区延时开通，防止直通25电力电子学陈坚课件n过电流保护n过电压保护n开关器件串联、并联应用时的均压、均流保护7.2 过电流保护和过电压保护26电力电子学陈坚课件过电压保护过电压保护避雷器击穿对地放电，防止雷电过电压设置Co，抑制操作开关S通、断时过电压线路上并接RC过电压缓冲器线路上并接压敏电阻RV用缓冲器抑制开关管通、断时的

15、过电压27电力电子学陈坚课件n过电流保护n过电压保护n开关器件串联、并联应用时的均压、均流保护7.2 过电流保护和过电压保护28电力电子学陈坚课件开关管串并联均压均流保护开关管串并联均压均流保护l开关管并联使用时要均流串Ll P-MOS管通态电阻rT温度系数为正(温度高，rT大)开关管并联自动均流。BJT的rT温度系数为负，不宜并联使用。IGBT大电流时，rT温度系数为正。 开关管串联使用时要均压开关管串联使用时要均压并并RC 取取R11=R12远小于远小于rT1、rT2稳压均压稳压均压 取取R13=R14，C13=C14动态均压动态均压29电力电子学陈坚课件第七章第七章 辅助元器件和系统辅助

16、元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器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 开关器件的开通、关断过程与安全工作区开关器件的开通、关断过程与安全工作区7.4 缓冲器缓冲器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 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源30电力电子学陈坚课件n线路电感L=0时开关器件的开通、关断过程n线路电感L0时开关器件的开通、关断过程n安全工作区7.3 开关器件的开通、关断过程与安全工作区31电力电子学陈坚课件开关器件的开通、关断过程开关器件的开通、关断过程

17、可以近似认为在一个开关周期Ts=Ton+Toff期间io=Io不变，开通关断过程中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32电力电子学陈坚课件开关器件的开通、关断过程开关器件的开通、关断过程开通：断态通态，rT从 0，iT从0线性上升至Io，VT从VDI0关断：通态断态，rT从0 ，iT从Io线性下降至0，VT从0VDq 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C如何过渡到如何

18、过渡到A？q VT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C33电力电子学陈坚课件开关器件的安全工作区开关器件的安全工作区无串联电感时： 开通过程：ABC(高压下电流上升AB， 负载电流下电压下降BC） 关断过程：CBA (负载电流下电压上升 对应CB，高压下电流下降 对应BA） 有串联电感时： 开通过程AQEC，比ABC好 关断过程CBHPA，比CBA差34电力电子学陈坚课件n线路电感L=0时开关器件的开通、关断过程n线路电感L0时开关器件的开通、关断过程n安全工作区7.3 开关器件的开通、关断过程与安全工作区35电

19、力电子学陈坚课件线路电感线路电感L=0时开关器件开通关断过程时开关器件开通关断过程36电力电子学陈坚课件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 Io，CB 此后，在此后，在tfi期间期间VT=VD，D导电，导电，rT，iT 0，BA线路

20、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37电力电子学陈坚课件线路电感线路电感L=0时开关器件开通关断过程时开关器件开通关断过程开通电流iT上升期：iT=Iot / tri (7-1)关断电流iT下降期：iT=Io(1-t /tfi ) (7-2)若认为vT在开通关断过程中也呈线性变化在则： （7-5）（7-6）38电力电子学陈坚课件n线路电感L=0时开关器件的开通、关断过程n线路电感L0时开关器件的开通、关断过程n安全工作区7.3 开关器件的开通、关断过程与安全工作区39电力电子学陈坚课件线路电感线路电感L 0时开通过程时开通过程p 开通过程：开通过程： 断态时，断态时

21、，VT=VD，iT=0。工作点为。工作点为A，有有VG后，后，rT，iT=Io.t/tri,tri 期间上升期间上升时，时，D仍在导电，仍在导电，VT=VD-LdiT/dt=VD-LIo/tri =VQVD时，D导电iT线性减小，vT= VD-LdiT/dt=VD+LIo/tfi=VCEP，工作点立即从BH，在iT从Io0期间工作点从HP，一旦iT=0，工作点从PA(iT=0，VT=VD)41电力电子学陈坚课件n线路电感L=0时开关器件的开通、关断过程n线路电感L0时开关器件的开通、关断过程n安全工作区7.3 开关器件的开通、关断过程与安全工作区42电力电子学陈坚课件安全工作区安全工作区L=0

22、时，开通轨迹ABC，关断轨迹CBAL 0时，开通轨迹AQEC，关断轨迹CBHPAL改善了开通轨迹，恶化了关断轨迹安全工作区： VTVCEP，KJ线左侧 iTICM，NM线下方 Pt=VTiT，功率限制线左下侧43电力电子学陈坚课件第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器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 开关器件的开通、关断过程与安全工作区开关器件的开通、关断过程与安全工作区7.4 缓冲器缓冲器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 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控

23、制系统和辅助电源控制系统和辅助电源44电力电子学陈坚课件n全控型开关管LCRD型复合缓冲器n电力二极管、晶闸管的RC缓冲电路nP-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器7.4 缓冲器45电力电子学陈坚课件n全控型开关管LCRD型复合缓冲器n电力二极管、晶闸管的RC缓冲电路nP-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器7.4 缓冲器46电力电子学陈坚课件全控型开关管全控型开关管LCRD复合缓冲器复合缓冲器缓冲电路由Ls、Cs、Ds、Rs组成，T用于全控型开关管GTO、BJT、IGBT、P-MOS。串联电感Ls用于开通缓冲vT，类似于线路电感L 0时的开通过程，开通轨迹为图7.12(C)中的AQEC

24、，开通时iT，使VT=VD-LdiT/dt=VD-LIo /tri=VQVD47电力电子学陈坚课件全控型开关管全控型开关管LCRD复合缓冲器复合缓冲器并联电容Cs用于关断缓冲vT关断T时，rT，VT=rTiT，在VTVD时，D0仍反偏截止。iL=iT+iCIo不变，iT=Io(1-t/tfi)下降，iC=Iot/tfi上升，VC=VT充电上升。若在tfi期间，iT0，iCIo，使48电力电子学陈坚课件全控型开关管全控型开关管LCRD复合缓冲器复合缓冲器q 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

25、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，关断轨迹为轨迹为CAPA。49电力电子学陈坚课件全控型开关管全控型开关管LCRD复合缓冲器复合缓冲器50电力电子学陈坚课件例题例题7.1 Buck DC/DC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，Rs=40，求开关损耗并画出 开关轨迹。51电力电子学陈坚课件n全控型开关管LCRD型复合缓冲器n电力二极管、晶闸管的RC缓冲电路nP-MOSFET、IGB

26、T的限幅箝位缓冲器7.4 缓冲器52电力电子学陈坚课件电力二极管、晶闸管的电力二极管、晶闸管的RC缓冲器缓冲器由上例，串联电感Ls(开通缓冲)对减少开通损耗作用不大，同时Ls使关断时VT增大到VCEP(超过VD 50)，为了简化缓冲电路，常不引入串联电感Ls，这时图7.12(a)变为7.13(a)图7.13(a)所示R、C、D缓冲电路常用于保护晶闸管图7.13(a)再取消DS，仅有RS、CS的缓冲电路常用于保护电力二极管53电力电子学陈坚课件n全控型开关管LCRD型复合缓冲器n电力二极管、晶闸管的RC缓冲电路nP-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器7.4 缓冲器54电力电子学陈坚课件P-M

27、OSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器关断过程： rt，在vT从0VD期间D0、D仍反偏截止， iL=iT=Io，工作点从CB vT略大于VD后，D0导电，iT0的tfi期间，iC使C充电，VC=VT，D导电l 通态时，iL=iT=Io，D0、D截止，C充电到VC=VD55电力电子学陈坚课件P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器 CB BM MP，iT=0，VC=VT=VCM=VTM后，T关断，iL继续对C充电, iL=0时vC=vT=VTP=VCP PA，VC=VT经L、电源、R放电至VD ，关断轨迹为：CBMPA56电力电子学陈坚课件P-MOSFET、IG

28、BT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器断态时，iT=0，VT=VC=VD，D0续流开通过程：AF，rT，iT=iLIo的tri期间，D0仍导电，VT，C经T、R放电，D截止，iT=Io时，工作点从AF57电力电子学陈坚课件P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器58电力电子学陈坚课件P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器开通过程中：FC，iT=Io时，VT=VTF，D0、D截止，rT，VT0，VCVD，工作点从FC59电力电子学陈坚课件P-MOSFET、IGBT的限幅箝位缓冲器的限幅箝位缓冲器无论通态、断态vC都为VD，开关过程中vC变化也不大，仅在关断过程

29、中VT超过VD后，C才起作用限幅缓冲，广泛应用于IGBT的 DC/DC、DC/AC变换器60电力电子学陈坚课件例题例题7.2VD=220V，Io=50A，L=2H，C=5F，R=5，tfi=1.5S，tri=1S，确定开通关断轨迹，确定开通关断轨迹解得：关断时：解得：关断时：M点，点，VTM=VCM=227.4V(不大，不大，Poff小小) P点，点，VTP=VCP=251.3V 开通时：开通时：F点，点，VTF=128V(很低，很低，Pon小小)，VCF=217.5V电容电压变化范围小：电容电压变化范围小：217.5-220-227.4V开关管最高电压仅开关管最高电压仅251.3V(VD=2

30、20V)61电力电子学陈坚课件第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器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 开关器件的开通、关断过程与安全工作区开关器件的开通、关断过程与安全工作区7.4 缓冲器缓冲器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 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源62电力电子学陈坚课件n电感（电抗器）n方波变压器和脉冲变压器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器63电力电子学陈坚课件n电感（电抗器）n方波变压器和脉冲变

31、压器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器64电力电子学陈坚课件电感电感(电抗器电抗器)电路：电压电路：电压V V克服电阻克服电阻R R产生电流产生电流I I，V=RV=R1 1I+RI+R2 2I I，R=R=l l/ /S Sc c= =l l/ /SSc c磁路：磁压磁路：磁压F(NI)F(NI)克服磁阻产生磁通克服磁阻产生磁通，F(NI)=F(NI)=R Rmomo+R+Rmcmc，R Rm m=l/S=l/Sc c65电力电子学陈坚课件电感电感(电抗器电抗器)单位：单位：I(A)，l0、lc(cm)，L(H)，(麦克斯韦麦克斯韦MX)，B(MX/cm2高斯高斯GS)按以上各式

32、设计铁芯电感按以上各式设计铁芯电感66电力电子学陈坚课件n电感（电抗器）n方波变压器和脉冲变压器7.5 电感（电抗器）、方波变压器和脉冲变压器67电力电子学陈坚课件方波变压器及其磁通变化规律方波变压器及其磁通变化规律Bm相同时，正弦电压有效值相同时，正弦电压有效值高高10电压相同时，正弦电压的电压相同时，正弦电压的m，Bm可小可小1068电力电子学陈坚课件例例7.3 脉冲变压器设计脉冲变压器设计VD=15V，R=50，铁芯，铁芯Bm=10000GS时，时，m=1A/cm2，Br=5000，要求输出脉冲电压，要求输出脉冲电压V=10V，脉宽，脉宽T=200s脉冲变压器及单边磁化曲线脉冲变压器及单

33、边磁化曲线69电力电子学陈坚课件例题例题7.3脉冲变压器设计脉冲变压器设计负载电流：负载电流： I2m=V2 / R=10/50=0.2A磁化电流：磁化电流： im=Hmlc/N1=0.05A负载电流折算至负载电流折算至N1： I2m=i2mN2/N1=0.16A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倍倍脉冲变压器及单边磁脉冲变压

34、器及单边磁化曲线化曲线70电力电子学陈坚课件第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器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 开关器件的开通、关断过程与安全工作区开关器件的开通、关断过程与安全工作区7.4 缓冲器缓冲器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 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源71电力电子学陈坚课件n滤波器基本功能和类型nLC滤波器特性分析n谐振型滤波器7.6 滤波器72电力电子学陈坚课件n滤波器基本功能和类型nLC滤波器特性

35、分析n谐振型滤波器7.6 滤波器73电力电子学陈坚课件滤波器功能、类型滤波器功能、类型电力电子变换中，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，幅值为值为VD的脉波的脉波DC/AC逆变电路的输出电压逆变电路的输出电压V2除基波除基波V21外，还有高次谐波电压外，还有高次谐波电压V2h输出电流除了基波电流输出电流除了基波电流i21外，还有高次谐波电流外，还有高次谐波电流i2hLo感抗感抗XL=2fhLo，fh高高，XLh大大Co容抗容抗Xc=1/2fhCo，fh高高，XLc小小74电力电子学陈坚课件滤波器功能、类型滤波器功能、类型谐波电压V

36、2h几乎全部压降在Lo上谐波电流I2h几乎全部流入Co使输出电压中VLh很小，负载中iLh很小Lo、Co对基波电压电流的影响分析： 负载基波电流iL1在Lo上产生基波压降 ，VL1在Co中产生基波电容电流流过Lo和开关管75电力电子学陈坚课件滤波器功能、类型滤波器功能、类型AC/DC整流电路输入电流i1除基波电流i11外，还有谐波i1hL1对谐波电流阻抗大，C1对谐波电流阻抗小I11中的谐波电流几乎全部流入C1，使电源电流isis1L1、C1对基波电压电流的影响分析： 基波电流is1在L1上产生基波压降 V1在C1中产生基波电容电流，流过L1及交流电源76电力电子学陈坚课件滤波器功能、类型滤波

37、器功能、类型滤波器类型： 按放置位置分：输入滤波器、输出滤波器、中间滤波器 按电路架构分：LC串、并联滤波器和LC谐振滤波器(7.6.3节)中间滤波器：L2、C2的输入输出都是直流 它把整流电路输出的直流电压中的谐波降落在L2上，减小C2端的谐波电压 它把逆变器输入断的谐波电流流入C2，减小L2中的谐波电流77电力电子学陈坚课件n滤波器基本功能和类型nLC滤波器特性分析n谐振型滤波器7.6 滤波器78电力电子学陈坚课件LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析用j代替S得到LoCo滤波器对不同频率的电压衰减系数为：幅频特性幅频特性逆变器输出滤波电路逆变器输出滤波电路79电力电子学陈坚课件LC滤波器的

38、特性分析滤波器的特性分析0越小(L0C0大)，谐波衰减量越大谐振频率越高，谐波衰减量越大逆变器输出滤波电路逆变器输出滤波电路幅频特性幅频特性80电力电子学陈坚课件LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析幅频特性物理说明： u=/0=10，=0时，VL/V2=0.01，衰减40dB u=/0=5，=0时，VL/V2=0.0416，衰减27.6dB u=/0=5，=0.5时，VL/V2=0.0408，衰减27.8dB相频特性： u=/0=1，VL滞后V2 90(公式7-69)81电力电子学陈坚课件LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析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

39、系数，如(uL/u2()=0.01，40dB)，可以得知相对频率可以得知相对频率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 。幅频特性幅频特性逆变器输出滤波电路逆变器输出滤波电路82电力电子学陈坚课件LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析1小(L1，C1大），谐波电流频率越高，则Kih越小，Ish越小83电力电子学陈坚课件LC滤波器的特性分析滤波器的特性分析设计设计LC滤波器的一般要求：滤波器的一般要求：(1) 负负载载上上的的单单次次谐谐波波电电压压和和总总谐谐波波电电压压降降低低到到允允许许范范围围内内；电电源源中中单单次次谐谐波波电电流流和和总总谐谐波波电电流流降降低

40、低到到允允许范围内。许范围内。(2) C0中中的的电电流流不不过过分分增增加加开开关关器器件件的的电电流流；C1的的基基波波电电流流不不致致过过分分增增加电源的电流。加电源的电流。(3) 滤滤波波电电感感基基波波阻阻抗抗不不大大，负负载载变变化化时时开开关关电电路路输输入入电电压压波波动动不不大大，负载电压波动不大。负载电压波动不大。(4) 滤滤波波器器LC电电压压、电电流流的的kVA值值小小，成本低、体积小、重量轻。成本低、体积小、重量轻。 84电力电子学陈坚课件n滤波器基本功能和类型nLC滤波器特性分析n谐振型滤波器7.6 滤波器85电力电子学陈坚课件谐振滤波器谐振滤波器86电力电子学陈坚

41、课件第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器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 开关器件的开通、关断过程与安全工作区开关器件的开通、关断过程与安全工作区7.4 缓冲器缓冲器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 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源87电力电子学陈坚课件散热系统散热系统(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器器件件管管芯芯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

42、器散热器S S热等效电路热等效电路CjPi iCCjRjCRCSCSs sCARSACS120 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88电力电子学陈坚课件例题例题7.4 散热器尺寸选择散热器尺寸选择例题7.4，散热器尺寸选择 开关管发热功耗为500W，环境温度55，要求结温不超过120，结-壳之间的热阻Rj c=0.06 ，壳-散热器之间的热阻Rcs=0.03 解：结-壳之间的温差 jc= Rj cP=0.06500=30； 允许壳温120-30=90； 壳-散热器之间的温度差 c

43、s= 0.03500=15 故散热器温度为90-15=75；若环温为55，则要求散热器与环境的热阻RSA=(75-55)/500=0.04 K/W ，因此应选择一个热阻小于0.04K/W的散热器。电欧姆定律：电欧姆定律：V=RI热欧姆定律：温差热欧姆定律：温差()=热阻热阻R(/W)热流功率热流功率P(W)89电力电子学陈坚课件例题例题7.4 散热器尺寸选择散热器尺寸选择环境温度A=55，散热器热阻RSA为0.04K/W温差0.04500=20散热器温度s=55+20=75管壳-散热器热阻Rcs=0.03 ，温差0.03500=15管壳温度C=75+15=90PN结-管壳热阻Rj c=0.06

44、 ，温差0.06500=30PN结结温j=90+30=120瞬时温度与热容量C(每单位温升所需要的热量焦耳值)有关90电力电子学陈坚课件第七章第七章 辅助元器件和系统辅助元器件和系统7.1 触发、驱动器触发、驱动器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 开关器件的开通、关断过程与安全工作区开关器件的开通、关断过程与安全工作区7.4 缓冲器缓冲器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 滤波器滤波器7.7 散热系统散热系统 7.8 控制系统和辅助电源控制系统和辅助电源91电力电子学陈坚课件7.8 控制系统和辅助系统控制系统和辅

45、助系统电力电子变换器都需要一组低压辅助电源，如：12V，20V，5V等，用于为信号检测（如霍尔电压电流传感器）、开关管驱动、保护电路、显示和通讯环节以及控制系统供电。通常采用3.6节介绍的带隔离变压器的DC/DC变换器作为辅助电源，已有系列产品供选用。辅助电源辅助电源92电力电子学陈坚课件控制系统和辅助系统控制系统和辅助系统通用或专用集成电路芯片，微处理器和数字信号处理器组成控制系统93电力电子学陈坚课件本章小结本章小结完整的电力电子变换器包括一定数量的辅助元器件和子系统，驱动器按照控制系统的指令，产生一定波形的驱动电压和驱动电流，实时、适式地控制变换器开关器件开通和关断。配置过电压和过电流保护系统，可防止变换器开关器件因短路、过载等原因而损坏。缓冲器减小了开关器件开通、关断时的瞬时电压、电流应力，也减小了开关损耗94电力电子学陈坚课件本章小结本章小结电感、电容LC滤波器用在变换器的输入及输出端，可以提高供电电源和变换器输出供给负载的电能质量。散热器将热量从变换器开关元器件移走，防止开关器件过热。电力电子变换器的工作受控制系统监控，现今基于微处理器和数字信号处理器的控制系统可以实现高性能的控制策略95电力电子学陈坚课件