UPS高频机中主功率器件的选择和设计(电感、电容-、IGBT、SCR)

UPS高频机中主功率器件的选择和设计UPS开发部徐辉一：系统中电感和电容设计的原则1、systemratingscalculation2、InputfilterLC3、PFC&INVChoke4、DCbusCapacitor5、inverterfiltercapacitor6、Chargerchokeandfiltercapacitor7、小结1、systemratingscalculation•按照规格书需求，来计算系统maininput,bypass,inverteroutput,charger,discharger等电流电压值•按照以上计算，选择空开、保险、电缆2、InputfilterLC两个因素决定：输入THDI和PF（1）Normally,the16kHzripplecurrentbacktoACsourcewillbelessthan3%oftheinputcurrent.NormallytheinputTHDiwilllessthan5%.（）（2）theinputPF(0.99)当PF=0.99时，Kc=0.14，一般选择的标准为流过电容的电流为输入电流的5%~10%电容选定后，按照（1）来选择输入电感3.32397)()2(%3%)31(22oswswcllcffLCfXXIILC21f0KcICUinin))(sin(arccosPFKc3、PFC&INVChoke等效Boost的特性：=》当开关管占空比为50%时刻，电感纹波最大。一般△i取低压125%负载电流峰值的40%。在设计中假如使用特性较软的磁材料来设计PFC电感时，考虑到电感量的跌落，最好电感量有50%裕量。同样道理设计INV高频电感（BUCK），值得注意时取峰值电流时要按照实际需求来，不能简单乘以1.414。最后要核算电流密度以及热损（铁损铜损）。0Vbus0-Vbus0Vo0Vbus-VbusDVgVbus1DTsdiLVgifDDVbusL)1(ifVbusL*44、DCbusCapacitor母线电容有两个决定因素：（1）输入断电期间，输出满载，母线电压在一定时间（15ms）允许的电压跌落百分比（15%）Normally,thevalueofthecapacitorwillbe80%~120%oftheratedvalue.(2)母线电容温升（允许的纹波）当系统输出带峰值比为3的非线性负载时，系统的三次谐波将会在母线电容上流过。具体电流值，与UPS的工作模式有关，以三相四线制SPWM的NXe为例tIUC****2UPIUtIC*CCCreal25.1%80)(5.52220*310*20*3*3*330AUPI相电压5、inverterfiltercapacitor输出滤波电容的选取实际上需和滤波电感同时考虑,同时还需考虑控制算法的要求、价格、体积等等因素,其容量的选取可以在一定范围内.若单纯从考虑输出滤波电容提供的无功分量考虑,一般设输出滤波电容的电流为额定输出电流的20~30%.即Normally,输出滤波器LC的截止频率一般取则：•?3.0IoCUout20f21fsw0LC6、Chargerchokeandfiltercapacitor(1)Buckchoke:一般假设电感电流临界连续时能达到额定充电功率，取此时的D和△（2*I）来计算L(2)假如设输出电压纹波小于0.1%按照BUCK电路原理有以下公式：=》ifDDVbusL)1(TIITDIDTQ82)21(212)2(21CQUoTDLUoI)1(01.08)1(%18)1(22swswLfDCLCfDUU7、小结•实际开发中往往要兼顾考虑成本、效率、借用，以及软件需求等，所以实际选择值也往往与计算值有出入。二：IGBT、SCR的选择•IGBT的选择是根据实际电压（有效值、峰值）、电流（有效值、峰值）和开关频率来初步选择，最后由热损耗来决定。SCR选择原则类似，但是旁路SCR要考虑旁路输出短路时的数值。1、SCR损耗2、IGBT损耗tI21、SCR•对于UPS高频机来说，SCR大多起软启动和STS的作用，SCR的开关损耗可以忽略不记，只有通态损耗。（1）对于工作在交流模式的SCR（2）对于工作在电池模式下的SCR1（1）工作在交流模式的SCR对于工作在交流模式的SCR：设导通晶闸管两端电压为：，电流瞬时值：式中：晶闸管导通电压初始值：晶闸管导通后的阻抗值：流过晶闸管的交流有效值，按半个正弦波周期计算则在一个周期内的功耗为：wtIRVVrmsttoAKsin2wtIrmssin2ItoVtRrmsItrmsrmstotrmsTAVtormsrmstrmstormsrmsttoSCRRIIVRIIVwtdtwtIIRwtdtIVwtdtIwtIRVP22000)21(221sin2sin221sin2)(21sin2)sin2(211（2）对于工作在电池模式下的SCR：设导通晶闸管两端电压为：，电流瞬时值：式中：：晶闸管导通电压初始值：晶闸管导通后的阻抗值：流过晶闸管的交流有效值，按半个正弦波周期计算则在一个周期内的功耗为：rmsttoAKIRVVIrmsItoVtRrmsItrmsrmstotrmsTAVtormsrmstrmstormsrmsttoSCRRIIVRIIVdtIIRdtIVdtIIRVP2220202021)(21)(212、IGBT分两种情况：（1）正弦调制，例如REC，INV（2）对于固定占空比调制，如DC-DC的电池放电、充电回路的IGBT2(1)正弦调制正弦调制：设，为峰值电流，对于IGBT的反并二极管，同样道理：busVVm02Icp220200)(,.751)318(cos)4(21)()(21cpcpcpCEcpcpCEtIGBTCEIGBTcondIrmIrIVmIrIVdtDtitVPnomcpnombusoffonswIGBTswIIUVEEfdtInomtIcpVnomVbusEoffEonP.)(1sin.)(210,220200)(,.751)318(cos)4(21)()(21cpTcpTcpTcpTcpTtdiodeCEdiodecondIrmIrIVmIrIVdtDtitVPnomcpnombusrecswDiodeswIIUVEfP.1,2(2)对于固定占空比调制对于固定占空比调制，如DC-DC的电池放电、充电回路的IGBT由于其和不再是时间的函数，所以变得简单:对于二极管的损耗：以上计算公式都不能生搬硬套，需要和器件实际工作模式结合起来，譬如软开关等之类)(tVce)(tibusbatbusbatbusbatVVVVVD(min)(min)10,)()(1dtDtitVPbatCEIGBTcondbatrmsrmsCEODIIrV.)..(nomrmsnombusoffonswIGBTswIIUVEEfP.)(,diodecondP,)1.()..(batrmsrmsTODIIrVnomrmsnombusrecswDiodeswIIUVEfP.,QuestionThankyou!