电力电子装置设计与应用10.

4、输出整流电路输出整流电路如图所示：这里的二极管D必须使用快速恢复二极管。这种二极管的开关特性好，反向恢复时间短，通常在开关电源中作输出整流用。快速恢复二极管的特点是它的反响恢复时间很短。定义为：二极管从正向导电状态急剧转换到截止时，管中输出电流下降到零开始，至反向电流恢复到最大反向电流的10%所需的时间，用trr表示。快速二极管的trr一般为几百纳秒，而超快速二极管的trr可达到几十纳秒。该整流电路中，二极管的电流波形与输出电路中L的电流有关。在t0~t1时间内，ID1=IL，ID2=0；在t1~t2时间内，ID1=ID2=1/2IL；在t2~t3时间内，ID2=IL，ID1=0；在t3~t4时间内，ID2=ID1=1/2IL。ILID1ID2t0t1t2t3t4t5T4以后同t0。在本例中，额定输出电流为150A，峰值电流为300A。由于输出电压恒定，流入流出输出滤波电容的平均电流为零，则L中的平均最大电流也为300A。目前找到300A的超快速恢复二极管有困难，因此考虑使用3个100A的超快速恢复二极管并联使用。（具体方法后述）在此电路中，整流二极管承受的最高反向工作电压由下式计算：N:1x2NEVHR2其中：EH为逆变桥输入最高电压。23801.1592HEVVEVVKmVENVKNmVEVLDPSETCELDSETCELP7.4619.038035.1)()(根据前式：考虑输入整流电路，直流滤波电路等的内阻影响。EL实际取450（V）。1213503.13245013503.132NVVVVKVmDPSETCE则：VNEVHR991225922实际选择二极管的反向耐压应高于VR的1.5~2倍，因此实选反向耐压200V的超快速恢复二极管。处在高频方波电压下工作的二极管，由于电路结构及器件本身分布参数的原因，其两端工作电压波形前后沿存在较严重的过冲现象，如图所示：使器件正常工作受到威胁，也是电磁干扰的原因之一。为了改善这一状况，一般情况下可在二极管两端加RC吸收元件。电路如图。由于电路结构，器件参数不同，RC不易直接计算。但可通过实验方法得出较合理的RC参数（如用不同RC值时，用示波器观察）。C的值一般为数千至数万PF，R一般为几至几十欧姆。要注意的是，RC元件应以尽可能短的导线直接安装在二极管两端。5、隔离变压器开关电源变压器是核心部件，其作用有三：传输能量、电压变换和绝缘隔离。在开关管的作用下，将直流电能转变为方波施加于开关电源变压器上，经过电磁转换，将输入功率传递到负载，输出所需要的电压。由于开关电源变压器工作频率很高，因此它的体积和重量比低频变压器大为缩小。开关电源变压器的性能好坏，不仅影响变压器本身的效率，而且还会影响到开关电源的整体技术性能和可靠性。所以在设计制作时，对磁性材料的选择，磁芯与线圈的结构，绕制工艺等都要有周密考虑。开关电源变压器工作于高频状态，分布参数的影响较大，这些分布参数包括漏感、分布电容等。电流在导体中的趋肤效应，对变压器的影响也十分明显。开关电源变压器的工作状态与开关电源电路工作原理有关，功率不同、电路不同，对开关电源变压器也提出了不同的设计要求。在本例中，变压器工作在双极性状态，铁心工作在整个磁滞回线区域，变压器的效率比单极性工作状态的高出许多，适合大功率电源采用。本例变压器工作频率为20KHZ，适合选用锰锌铁氧体软磁材料制作的磁芯绕制变压器，例如：R2KB。锰锌铁氧体磁性材料的结构很多。常用的有EE、EC、G、H型等。设计参数的确定：1、磁感应强度B与电流密度J磁感应强度和电流密度是变压器在给定设计条件下进行设计时必须给出的设计参数。当工作频率、磁芯尺寸给出后，变压器功率P与B和J的乘积成正比。JBP当变压器尺寸一定时，B和J选得高一些，则某一给定尺寸的磁芯可输出更大的功率，反之为了得到某一给定的输出功率，B和J选得高一些，变压器尺寸就可小一些，因而可减小体积，减轻重量，降低成本。B和J值的提高受到电性能各项技术要求的制约，B值过高，激磁电流过大，造成波形畸变严重，铁心温度升高会影响电路工作安全和增加输出电压纹波；J值过高铜损增大，线圈温升将会超过规定值。因此，确定磁感应强度和电流密度时，应把对电性能的要求和经济指标结合起来。开关电源变压器在选择磁感应强度时，主要考虑的是温升，因为温升限制了变压器的总损耗。（1）确定磁感应强度B需考虑两个问题：当输入电压达到设计最高值时，磁芯不饱和；变压器总损耗产生的温升满足要求。理论与实践表明，在给定温升条件下，当磁芯损耗与铜线损耗相等时，开关电源变压器的输出功率最大。设计时初选磁感应强度可根据功率P（W），工作频率f（KHZ），平均温升（）按图查出系数KB，再按下式计算磁感应强度。CmBBKB式中：B---工作磁感应强度（T）KB----磁感应强度系数Bm---磁性材料最大工作磁感应强度（T）磁性材料不同，Bm不同。如：R2K0.3T（2）计算变压器铜耗Pm温升与q值的关系根据温升条件来确定变压器总损耗，减去磁芯损耗即得出铜耗，再根据铜耗来计算电流密度。计算铜耗应在磁芯规格确定后进行。cbtmGPSqPmPq式中tsbPcG变压器铜耗（W）变压器单位表面所散耗的平均功率（W/CM2）变压器表面积（CM2）在工作磁感应强度和频率下单位质量的磁芯损耗（W/kg）磁芯质量（kg）（3）计算电流密度JmmGZPJJmPZmG式中电流密度（A/mm2）铜耗（W）铜耗因子zzZ5.2345.23496.1z环境温度（℃）变压器温升（℃）铜线质量（kg）3109.8mwmmKSlGmlwS式中线圈平均匝长（cm）磁芯窗口面积（cm2）mK铜线窗口占空系数2、变压器和线圈的结构参数（1）铜线占空系数铜线占空系数定义线圈绕制因数（2）平均匝长1）线圈平均匝长线圈平均匝长2）各绕组平均匝长各绕组平均匝长（3）变压器表面积变压器表面积（或称散热面积）包括线圈散热面积和磁芯散热面积，磁芯散热面积是指扣除被线圈遮盖面积以外的其余部分磁芯面积，线圈散热面积是指扣除被磁芯遮盖以外其余部分的线圈面积，线圈在窗口内绕满。（4）磁芯结构常数mmWeelKSAY2eYeA磁芯有效截面积（cm2）WSmKml磁芯结构常数（cm5）磁芯窗口面积（cm2）线圈平均匝长（cm）铜线占空系数