电力电子变换器实用分析与设计(创新创业类系列教材)

第 1 章 电力电子变换器的一般设计流程 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．1
1．1 电力电子变换器的一般设计流程????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．1
1．2 电力电子变换器的技术指标和分析??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．4
1．2．1 电力电子变换器的技术指标????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．4
1．2．2 技术指标分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．8
1．3 总体方案论证????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．8
1．4 具体电路设计????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10
1．5 电路仿真 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．11
1．6 电磁兼容设计????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13
1．6．1 电磁兼容概念 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13
1．6．2 常用的抑制电磁干扰的措施????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????14
1．6．3 电磁兼容测试 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16
1．7 PCB 及结构设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????16
1．8 建立试验平台????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17
1．9 前期调试 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????18
1．10 优化设计????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19
1．11 后期整机调试 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????20
1．12 生产准备????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21
1．13 小结????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????21
思考题和习题????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22
第 2 章 电力电子变换器的功能电路、元器件与理想原理分析??????????????????????????????????????????????????????????????????????．23
2．1 电力电子变换器的功能电路????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????23
2．1．1 不隔离式 DC/DC 变换器????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25
2．1．2 隔离式 DC/DC 变换器??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????31
2．2 电力电子变换器的典型元器件??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35
2．2．1 主功率电路的元器件??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35
2．2．2 控制芯片 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????37
2．2．3 常用逻辑芯片 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38
2．2．4 电流检测元件 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48
2．2．5 温度检测元件 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52
2．3 电力电子变换器的稳态原理分析????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????55
2．3．1 电感和电容的理想特性分析????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????55
2．3．2 功率电路稳态原理分析????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????59
2．3．3 稳态闭环分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????74
2．4 小结 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????81
思考题和习题????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????81
第 3 章 电力电子变换器中的实际问题 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．83
3．1 实验波形与理想原理分析不同所引发的思考??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????83
3．1．1 驱动电路典型波形????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????83
3．1．2 双脉冲测试电路中功率开关管典型开关特性波形??????????????????????????????????????????????????????????????????????????84
3．1．3 反激变换器典型波形??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????85
3．2 理想与实际的差异????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????87
3．2．1 理想与实际功率器件的差异????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????87
3．2．2 理想与实际电抗元件的差异??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．100
3．2．3 理想与实际 PCB 的差异 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．106
3．2．4 理想与实际功率电路的差异??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．107
3．2．5 理想与实际的差异分析??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．110
3．3 损耗与散热 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．116
3．3．1 电力电子变换器损耗的组成??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．116
3．3．2 电力电子变换器中常用元器件的损耗模型分析??????????????????????????????????????????????????????????????????????????．118
3．3．3 散热的必要性 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．125
3．3．4 常用散热方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．126
3．3．5 功率器件的散热和安装方法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．127
3．4 应力降额 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．141
3．4．1 应力系数、设计裕量及安全裕量之间的关系????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．142
3．4．2 工作环境 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．142
3．4．3 典型元器件的额定值和应力系数??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．143
3．4．4 机械应力 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．148
3．5 电磁干扰 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．149
3．5．1 EMC 设计方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．149
3．5．2 电磁干扰形成的三要素??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．150
3．5．3 电磁干扰源的特性??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．152
3．5．4 电磁干扰传播特性??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．153
3．5．5 EMC 设计要点 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．157
3．6 可靠性与寿命??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．160
3．6．1 平均无故障时间????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．160
3．6．2 保修成本 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．162
3．6．3 寿命期望和失效标准????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．163
3．6．4 验证可靠性测试????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．164
3．6．5 加速寿命试验 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．165
3．7 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．166
思考题和习题??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．166
第 4 章 印制电路板的一般设计方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????167
4．1 PCB 简介及设计基础 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．167
4．1．1 PCB 及互连 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．167
4．1．2 PCB 设计基础 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．172
4．2 PCB 的一般设计流程与方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．179
4．3 PCB 设计规范 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．184
4．3．1 PCB 工程设计的基本原则 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．184
4．3．2 PCB 设计的工艺要求 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．185
4．3．3 回路相关设计注意事项??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．191
4．3．4 焊盘设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．193
4．3．5 PCB 标注要求 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．196
4．4 PCB 的热设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．197
4．4．1 PCB 热传导特性 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．198
4．4．2 PCB 敷铜准则 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．198
4．4．3 热过孔及其设计注意点??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．199
4．4．4 GaN 器件散热实例 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．201
4．5 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．203
思考题和习题??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．204
第 5 章 电力电子变换器的参数优化设计 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????205
5．1 电力电子变换器参数的传统设计方法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．205
5．1．1 传统设计方法介绍??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．205
5．1．2 传统设计方法的缺陷????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．205
5．2 电力电子变换器参数的优化设计思想及过程????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．207
5．2．1 优化设计思想 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．207
5．2．2 优化设计过程 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．207
5．3 电力电子变换器参数优化设计实例分析????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．208
5．3．1 数学模型的建立????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．209
5．3．2 数学模型的改进????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．211
5．3．3 优化设计结果与分析????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．221
5．4 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．226
思考题和习题??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．226
第 6 章 电力电子变换器的一般调试与排故方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????227
6．1 电力电子变换器调试的基本问题??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．227
6．1．1 调试的定义 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．227
6．1．2 调试的分类 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．227
6．1．3 调试的目的 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．229
6．1．4 调试前应做的准备工作??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．229
6．1．5 调试的一般要求????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．231
6．1．6 调试的一般步骤????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．232
6．1．7 常见故障及产生原因????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．235
6．1．8 调试中所遇故障的一般检测方法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．236
6．2 典型电力电子变换器的调试过程??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．244
6．2．1 反激变换器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．245
6．2．2 三相 PMSM 电机驱动 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．248
6．3 典型电力电子变换器调试与排故实例分析??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．248
6．3．1 GaN 基桥臂双脉冲电路调试排故实例分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．248
6．3．2 三管 Buck-Boost 电路调试与排故分析????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．255
6．3．3 交错并联 Boost 变换器调试排故实例分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．263
6．4 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．267
思考题和习题??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．268
参考文献 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????269