第8章　集成系統(tǒng)中的能量變換

第8章集成系統(tǒng)中的能量變換8.1集成系統(tǒng)中的電磁能量

8.1.1電磁關(guān)系特點(diǎn)

8.1.2電路理論分析的局限性

8.1.3面向電磁能量處理的系統(tǒng)集成

8.2電磁能量變換建模

8.2.1集成系統(tǒng)的物理描述

8.2.2系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

8.2.3開關(guān)器件中的電磁能量變換

8.2.4儲(chǔ)能元件中的電磁能量變換

8.2.5連接件中的電磁能量分析

8.3變換器中的電磁能量傳輸

8.3.1材料特性對(duì)電磁傳輸?shù)挠绊懙?章集成系統(tǒng)中的能量變換8.3.2變換器中的能量傳輸

8.3.3電磁波形在傳輸中的畸變及損耗

8.4基于電磁能量變換的集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展8.1集成系統(tǒng)中的電磁能量電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)的本質(zhì)是實(shí)施電磁能量的可控變換和傳輸。在變換和傳輸過程中必須遵循電磁能量守恒和能量不能突變?cè)瓌t，這是集成系統(tǒng)中電磁能量變換過程的基礎(chǔ)。8.1.1電磁關(guān)系特點(diǎn)1.多回路

2.高功率

3.多媒質(zhì)

4.多變性

5.多時(shí)間常數(shù)1.多回路圖8-1電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)中各種部件中的能流形式2.高功率圖8-2大功率半導(dǎo)體器件IGCT受損害情形3.多媒質(zhì)圖8-3典型的三電平電力電子變換器的主電路示意圖4.多變性圖8-4最小脈寬的影響致使輸出電壓脈沖畸變5.多時(shí)間常數(shù)圖8-5電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)8.1.2電路理論分析的局限性1)基爾霍夫電流定律(Kirchhoff’scurrentlaw，KCL)，即對(duì)于集總電路的任一節(jié)點(diǎn)，在任一時(shí)刻流入該節(jié)點(diǎn)的電流之和等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流之和；基爾霍夫電流定律的物理基礎(chǔ)是電荷守恒和電流連續(xù)性(即能量不能突變)。

2)基爾霍夫電壓定律(Kirchhoff’svoltagelaw，KVL)，即對(duì)于集總電路的任一回路，在任一時(shí)刻，沿回路的各支路電壓的代數(shù)和為零，其物理基礎(chǔ)為能量守恒。

1)不可能從電路模型中分離出器件模型及其內(nèi)部的耦合關(guān)系。

2)模型參數(shù)與“器件“和“電路”的幾何尺寸相關(guān)，但電路模型反映不出來。

3)電路各部分之間的寄生參數(shù)和相互影響由于高頻效應(yīng)而增強(qiáng)。8.1.2電路理論分析的局限性4)當(dāng)器件被擱置到強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，其他磁場(chǎng)對(duì)它的影響將變得更加突出。圖8-6IGBT模型內(nèi)一個(gè)可能

的物理電路布局示意圖圖8-7高頻時(shí)IGBT集總元件模

型的物理布局圖8-8集成系統(tǒng)中各部分功能的相互關(guān)系8.1.3面向電磁能量處理的系統(tǒng)集成1)建立單個(gè)“元件”的特性函數(shù)。

2)建立單個(gè)“元件”之間的相關(guān)函數(shù)。

3)提煉出具有共性的系統(tǒng)綜合函數(shù)。8.1.3面向電磁能量處理的系統(tǒng)集成圖8-9系統(tǒng)集成分析方法8.2電磁能量變換建模電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)歸根結(jié)底是一種電磁能量變換裝置，因此，建立電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)的電磁能量變換模型是進(jìn)行有效分析與控制的前提。8.2.1集成系統(tǒng)的物理描述1)從微觀角度來看，在關(guān)斷脈沖的下降沿處，將感應(yīng)出1000V尖峰電壓；

2)從宏觀角度來看，電感上的儲(chǔ)存的能量(單位為Ｗ)為8.2.1集成系統(tǒng)的物理描述圖8-10電力電子裝置中的能量界面8.2.2系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模圖8-11平板電容器及連接線中電荷分布產(chǎn)生的能量流示意圖8.2.2系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模圖8-12功率半導(dǎo)體的平板連接電路8.2.3開關(guān)器件中的電磁能量變換器件導(dǎo)板上的感應(yīng)電壓與器件外部尺寸大小有關(guān)，導(dǎo)板越長(zhǎng)，寬度越短，感應(yīng)電壓越大。同時(shí)，該感應(yīng)電壓與變化時(shí)間Δt有關(guān)，時(shí)間越短，感應(yīng)電壓越大。在器件關(guān)斷時(shí)，器件承受外部施加電壓加上感應(yīng)電壓，它們構(gòu)成了器件上最大可能的雪崩電壓；在器件開通時(shí)，該感應(yīng)電壓則要被減去，器件承受的電壓變得更小。8.2.3開關(guān)器件中的電磁能量變換圖8-13平板連接硅片方式中的硬開關(guān)電量波形1.感應(yīng)電壓(1)位移電流

(2)由電磁暫態(tài)帶來的半導(dǎo)體器件中的電磁應(yīng)力圖8-14低壓器件中的歸一化的電壓降落(以

電源電壓為參考值做歸一化)圖8-15高壓器件中的歸一化位移電流

(以負(fù)載電流作為參考值歸一化)8.2.4儲(chǔ)能元件中的電磁能量變換1.半導(dǎo)體開關(guān)

2.容性器件

3.磁性器件

4.電磁集成器件1.半導(dǎo)體開關(guān)圖8-162-D平板電容器的

電磁能量關(guān)系圖2.容性器件一個(gè)典型的平板電容器結(jié)構(gòu)如圖8-16所示。平板電容器兩端分別通過導(dǎo)線連接到一個(gè)電源，正負(fù)方向如圖所示。由于在平板電容器兩端電壓不同，則兩端的電場(chǎng)E也不同，正高負(fù)低，而電容器兩端的電流相同，故兩端H相同。根據(jù)波印亭矢量定義S＝E×H，其大小方向如圖上所示，沿x方向，電磁能流是變化的，說明部分電磁能量?jī)?chǔ)存在電容器中。該圖中的空白箭頭反映了與電荷相關(guān)的電磁能量流動(dòng)。3.磁性器件圖8-172-D磁性元件電磁能量關(guān)系圖4.電磁集成器件圖8-18集成的電感-電容-變

壓器電磁能量關(guān)系圖8.2.5連接件中的電磁能量分析1)同一橋臂中，各開關(guān)的換流回路不一樣,所經(jīng)歷的雜散參數(shù)不同。

2)不同橋臂但同一位置的開關(guān)的換流回路也不同，所經(jīng)歷的雜散參數(shù)也不相同。

1)分布參數(shù)值較小的單元并入分布參數(shù)值較大的單元。

2)合并的單元在電路拓?fù)渲刑幱谕粭l支路。

3)合并的單元在物理空間中的位置和電路拓?fù)渲械奈恢镁噜彙?.2.5連接件中的電磁能量分析圖8-19三電平變頻器母排結(jié)構(gòu)的分類8.2.5連接件中的電磁能量分析圖8-20單元等效電路8.2.5連接件中的電磁能量分析圖8-21母排三維物理幾何模型8.2.5連接件中的電磁能量分析圖8-22母排的U相和V相等效電路圖8-23簡(jiǎn)化后Loop1的等效電路8.3變換器中的電磁能量傳輸經(jīng)過集成系統(tǒng)中的電磁能量在系統(tǒng)中傳輸，該傳輸特性受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、媒質(zhì)材料特性和元件電磁參數(shù)等的作用和影響。本節(jié)將主要討論后兩種因素的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響已經(jīng)在第3章中有詳盡的介紹，本節(jié)不再重復(fù)。8.3.1材料特性對(duì)電磁傳輸?shù)挠绊?.導(dǎo)體中的集膚效應(yīng)

2.電磁參數(shù)1.導(dǎo)體中的集膚效應(yīng)圖8-24導(dǎo)體厚度d與集膚效應(yīng)深度

一致時(shí)的實(shí)心導(dǎo)線和絞合線1.導(dǎo)體中的集膚效應(yīng)圖8-25導(dǎo)體表面散熱為常數(shù)時(shí)的電流密度1.導(dǎo)體中的集膚效應(yīng)圖8-26典型電介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度與

頻率的關(guān)系曲線2.電磁參數(shù)圖8-27磁場(chǎng)密度：低頻下采

用硅鋼片，高頻下采用鐵氧體2.電磁參數(shù)圖8-28三類不同的磁心厚度h：硅

鋼、鐵氧體和微結(jié)構(gòu)材料8.3.2變換器中的能量傳輸圖8-29典型的交直交變換器的電路結(jié)構(gòu)8.3.2變換器中的能量傳輸圖8-30典型的交直交變換器中的電磁能量傳輸示意圖8.3.3電磁波形在傳輸中的畸變及損耗1.能量傳播的時(shí)空方程

2.異常脈沖現(xiàn)象分析1.能量傳播的時(shí)空方程圖8-31集成系統(tǒng)中簡(jiǎn)化的瞬態(tài)有損傳輸線模型2.異常脈沖現(xiàn)象分析圖8-32典型的高壓大容量三電平變頻器量測(cè)到的各種輸出電壓異常脈沖2.異常脈沖現(xiàn)象分析圖8-33不同最小脈寬下、基頻為5Hz時(shí)的電壓矢量分布情況8.4基于電磁能量變換的集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展1.脈沖電源下的電路拓?fù)?/p>

2.散熱與冷卻

3.電磁集成1.脈沖電源下的電路拓?fù)涿}沖型電源是電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)的主要特色,脈沖電源含有豐富的高頻諧波,由于電場(chǎng)能量存儲(chǔ)與頻率成嚴(yán)格的正比例關(guān)系，脈沖電源將帶來高的能量交換密度。磁場(chǎng)能量存儲(chǔ)也得到脈沖序列的好處，但是它的能量交換密度的改善比較小。因此需要選擇能夠應(yīng)用更多的電場(chǎng)能量存儲(chǔ)和更少的磁場(chǎng)能量存儲(chǔ)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2.散熱與冷卻散熱與冷卻是集成系統(tǒng)中能量平衡的重要方面，半導(dǎo)體開關(guān)器件是熱源的集中地。因此半導(dǎo)體開關(guān)器件裝配的形態(tài)和體積很大程度上決定于散熱的需要，功耗的準(zhǔn)確計(jì)算和散熱結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)，是保證系統(tǒng)能量平衡的另一重要條件。同時(shí)，限制開關(guān)速度和集中減小器件的通態(tài)損耗，將更加容易實(shí)現(xiàn)散熱的要求。3.電磁集成1)電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量存儲(chǔ)區(qū)域應(yīng)盡