逆变器输出滤波电感设计_南京航空航天大学_62页.pdf

逆变器输出交流滤波电感设计南京航空航天大学周洁敏周洁敏20132013年年7 7月月6 6日上海日上海电源网技术交流电源网技术交流设计磁性元件有很多限制条件设计磁性元件有很多限制条件（1 1）最大工作磁密小于磁芯的饱和磁密）最大工作磁密小于磁芯的饱和磁密（2 2）磁芯磁密交流分量尽量小，减少铁芯损耗）磁芯磁密交流分量尽量小，减少铁芯损耗（3 3）磁性器件线圈导线的直径尽量小，满足）磁性器件线圈导线的直径尽量小，满足铁芯窗口的要求。铁芯窗口的要求。（4 4）在满足上述条件下，导线的截面积尽量）在满足上述条件下，导线的截面积尽量大，使直流电阻和铜耗尽量小，还要考虑集肤大，使直流电阻和铜耗尽量小，还要考虑集肤效应和邻近效应的影响。效应和邻近效应的影响。（5 5）如果要使磁性器件存储能量，铁芯要）如果要使磁性器件存储能量，铁芯要开气隙或采用分布式气隙的铁芯。开气隙或采用分布式气隙的铁芯。（6 6）磁芯如果开有气隙，变压器的励磁）磁芯如果开有气隙，变压器的励磁电流增大，损耗增加。电流增大，损耗增加。设计磁性器件必须知道磁芯的工作方式和设计磁性器件必须知道磁芯的工作方式和状态。要分析磁芯在电路中的工作情况，状态。要分析磁芯在电路中的工作情况，求出磁芯的工作磁密、损耗、直流偏磁等求出磁芯的工作磁密、损耗、直流偏磁等参数。参数。逆变器结构框图逆变器结构框图回路1回路2SSDDDDSSNNABU1122334412iS1S1，S3S3以以输出电压输出电压的基波频的基波频率开关。率开关。S2S2、S4S4以以SPWMSPWM互补控制。互补控制。逆变器主电路逆变器主电路逆变器主电路逆变器主电路推挽式推挽式调制方式有调制方式有2 2种：种：单极性调制单极性调制和双极性调制和双极性调制单极性调制（桥）单极性调制（桥）双极性调制（推挽）双极性调制（推挽）输出交流滤波电感波形分析输出交流滤波电感波形分析输出交流滤波电感波形分析输出交流滤波电感波形分析逆变器的输出波形通常是逆变器的输出波形通常是SPWMSPWM波，波，以无输出变压器为例进行分析和说明。以无输出变压器为例进行分析和说明。回路1回路2SSDDDDSSNNABU1122334412i正弦波大于三角波时，比较器输出正，即正弦波大于三角波时，比较器输出正，即高电平，反之输出低电平。产生一系列脉高电平，反之输出低电平。产生一系列脉冲序列。冲序列。1/ffN定义载波比定义载波比为使输出矩形为使输出矩形波是奇函数，波是奇函数，N N应为偶数。应为偶数。以桥式电路为例用以桥式电路为例用ANSOFT ANSOFT 软件仿真软件仿真仿真获得电感电流波形仿真获得电感电流波形正弦脉宽调制技术正弦脉宽调制技术SPWMSPWM原理原理回路1回路2SSDDDDSSNNABU1122334412iNNk2k正弦波大于三正弦波大于三角波的部分所角波的部分所产生脉冲的中产生脉冲的中心位置用心位置用 表示。表示。kN/2ab mHeU三角波幅值三角波幅值kUUlsinemmNk 2,1其中其中某点正弦波幅值某点正弦波幅值kmksin2cdUUN脉冲宽度脉冲宽度)2sin(sin2mmkNNkNUU18N其中取其中取NNsin当当N N足够大时有足够大时有脉冲宽度脉冲宽度三角波幅度三角波幅度mUmU正弦波幅度正弦波幅度当当SPWMSPWM调制波的幅值为调制波的幅值为E E时，其基波时，其基波及高次谐波的幅值表达式为及高次谐波的幅值表达式为 2coscos214kk12/1m(1)jNjEU 2coscos21n4kk12/1m(n)jNjEU基波表达式基波表达式高次谐波表达式高次谐波表达式)2sin(sin2mmkNNkNUU调节同相端正弦波电压幅值的大小就可以调调节同相端正弦波电压幅值的大小就可以调节逆变器输出电压的大小。节逆变器输出电压的大小。第第k k个脉冲脉宽个脉冲脉宽各次谐波幅值与基波最大值之比各次谐波幅值与基波最大值之比例如对于载波比例如对于载波比N=18N=18的的SPWMSPWM，其高次谐波是，其高次谐波是17,1917,19次谐波。次谐波。正弦波频率为正弦波频率为50Hz50Hz，三角波频率常为三角波频率常为840kHz840kHz，所以，采用，所以，采用这种这种SPWMSPWM波的逆变器波的逆变器的输出电压波形的低次的输出电压波形的低次谐波分量少。后级谐波分量少。后级LCLC滤滤波器负担较轻。波器负担较轻。载波比：载波比：N=18N=18)/(1CL当当时截止频率为时截止频率为LCf21c设逆变器的输出电压的基波频率为设逆变器的输出电压的基波频率为50Hz50Hz假设截止频率为假设截止频率为cf随着频率升高，使滤随着频率升高，使滤波器的输出下降波器的输出下降3dB3dB的频率为截止频率的频率为截止频率。定义滤波器截止频率定义滤波器截止频率c1ff 则要求有则要求有)/(111CL电感电感L L对基波信号的阻抗很小，电容对基波信号的阻抗很小，电容C C对基波对基波分量的分流很小，滤波器允许基波信号通过。分量的分流很小，滤波器允许基波信号通过。电感电感L L对高频谐波信号的阻抗很大，电容对高频谐波信号的阻抗很大，电容C C对高频谐波分量的分流很大，滤波器阻碍对高频谐波分量的分流很大，滤波器阻碍高频谐波信号通过。高频谐波信号通过。交流滤波电感的作用：就是让低频无损耗交流滤波电感的作用：就是让低频无损耗地通过，高频彻底滤掉。地通过，高频彻底滤掉。TDLuUTLuUIkLkko,dckon,ko,dc,TDLuTLuIkL)1(kko,koff,ko,电感电流上升阶段电感电流上升阶段电感电流下降阶段电感电流下降阶段kD第第k k个脉冲相对于开关周期个脉冲相对于开关周期T T的占空度的占空度输出滤波电感量的确定输出滤波电感量的确定dcU逆变器输出电压脉冲幅值逆变器输出电压脉冲幅值kL,I逆变器输出电压逆变器输出电压SPWMSPWM第第k k个脉冲个脉冲时电感电流上升段的增量。时电感电流上升段的增量。-kL,I逆变器输出电压逆变器输出电压SPWMSPWM第第k k个脉冲个脉冲时电感电流下降段的增量。时电感电流下降段的增量。k,ko,dcDIfuULkLkLIfDuL,kko,)1(或者或者)2sin(sin2mmkNNkNUU第第k k个脉冲宽度为个脉冲宽度为交流输出达到峰交流输出达到峰值，即值，即oko,2Uu4/Nk 设负载是纯电阻性的，交流设负载是纯电阻性的，交流输出电流的基波分量，即电输出电流的基波分量，即电感电流的基波分量也达到最感电流的基波分量也达到最大值，定义纹波系数：大值，定义纹波系数：okL,II第第k k个交割点，即个交割点，即)2sin(sin2mmNNkNUUk根据下式，当根据下式，当4/Nk 脉宽最大脉宽最大2sinsin2mmkNUU有有18N如果如果mmUU令令称调制度，最大为称调制度，最大为最大占空度最大占空度ffD1maxmax2Nsin2max基波频率基波频率1f调制波频率调制波频率fNIfUUDIfUUDIfuULkLsin22o1odcmaxoodk,ko,dc最大电感量最大电感量而且随着正弦波的调制，磁芯的直流工作点按而且随着正弦波的调制，磁芯的直流工作点按正弦规律（正弦规律（50Hz50Hz）在磁滞回线的）在磁滞回线的1 1和和3 3象限移动。象限移动。磁芯的工作特点磁芯的工作特点这类磁芯处于正弦波的峰值时，直流分量这类磁芯处于正弦波的峰值时，直流分量大，磁场强度大，磁场强度H H大，磁芯最容易饱和。电大，磁芯最容易饱和。电感中电流脉动也大，要求的电感量大。感中电流脉动也大，要求的电感量大。考虑到短路要求，电感感值要求尽可能大，且不随负载变化。适合做电感的磁芯材料有粉芯类磁芯材料和气隙铁氧体材料。磁粉芯类磁性材料饱和缓慢，但随着直流磁粉芯类磁性材料饱和缓慢，但随着直流磁场的变化，磁导率变化，电感量也要发磁场的变化，磁导率变化，电感量也要发生变化。从手册中的磁化特性曲线可知。生变化。从手册中的磁化特性曲线可知。磁粉芯的磁磁粉芯的磁化特性曲线化特性曲线MAGNETICS KoolM KoolM，铁硅铝磁化特性，铁硅铝磁化特性初初始始 单单位位磁磁导导率率直流磁场强度直流磁场强度H/OeH/Oe可以获得比较稳定的电感材料是气隙磁芯cRcRu(t)i（t）lc20cALN电感不同于变压器，需要储存能量，电感不同于变压器，需要储存能量，开气隙后可以储存磁场能量，并使电开气隙后可以储存磁场能量，并使电感量稳定。即电感为感量稳定。即电感为单极性调制单极性调制双极性调制双极性调制逆变器交流滤波电感中的磁密波形逆变器交流滤波电感中的磁密波形B BL曲线是曲线曲线是曲线减去曲线减去曲线积分积分所得，所得，但是很难用精确的数学表达式表示。但是很难用精确的数学表达式表示。输出正输出正弦波弦波输入为输入为ABAB端端电压波形电压波形ttUuNABdsin2120oABeL纵坐标放大的结果纵坐标放大的结果同时线圈中除了流过基波电流，还要流过高次谐波电流，线圈应当考虑高频电流损耗。交流滤波电感不但有基波分量，而且叠加较大的高频分量，磁芯选择不仅要考虑基波损耗，而且要考虑磁芯涡流损耗。拓扑决定电路参数拓扑决定电路参数拓扑决定电路参数拓扑决定电路参数工作频率决定磁芯工作频率决定磁芯求最大磁密和最大磁通摆幅求最大磁密和最大磁通摆幅粗选磁芯形状和尺寸粗选磁芯形状和尺寸决定损耗限制决定损耗限制计算匝数计算匝数计算气隙长度计算气隙长度计算导体尺寸和线圈电阻计算导体尺寸和线圈电阻计算线圈损耗，总损耗和温升计算线圈损耗，总损耗和温升电感设计步骤电感设计步骤比较通用的方法是面积乘积法，它是磁芯窗口面积与磁芯有效截面积的乘积。饱和限制磁芯的最大磁通密度损耗限制最大磁通密度的选取高频损耗不严重时，饱和限制磁密的选取。43Sp4FLWcmax1()LIIAPA AcmBK决定磁芯尺寸决定磁芯尺寸的的APAP法法Isp电感中最大峰值短路电流IFL满载电流有效值K1假定线圈损耗比磁芯损耗大得多，自然通风冷却下，电流密度取420A/cm2时的经验值。磁芯高频损耗严重时，高频损耗限制的磁通摆幅，面积乘积公式为434FLWmax2(cm)cIL IAPA ABK电感电流变化量最大磁通密度摆幅线圈窗口利用率自然冷却经验值K1线圈损耗等于磁芯损耗K2210.707KK各种系数与电感类型的关系各种系数与电感类型的关系公式中的4/3次方说明磁芯尺寸增加，磁芯和线圈（产生损耗）体积增加大于表面积（散热）的增加。因此磁芯体积大的功率密度降低。43Sp4FLWmax1()cLIIAPA AcmBK434FLWmax2(cm)cIL IAPA ABK根据电感纹波频率和最大磁通密度摆幅B查找单位体积的损耗。VP则磁芯损耗为则磁芯损耗为eVFeVPP铁氧体通常取铁氧体通常取100kW/m100kW/m3 3磁芯损耗的确定磁芯损耗的确定eV磁芯的有效体积，厂家根据磁芯型号提供。磁芯的有效体积，厂家根据磁芯型号提供。选择磁芯查表得到磁芯参数例如：计算需要AP值小于磁芯的AP值。查表值40.971 1.231.2ewAPA Acm磁芯尺寸带骨架的窗口数据AW=1.23cm2bW=2.10cmhW=0.60cmlav=6.10cm窗口宽度窗口高度平均匝长骨架型号：CPH-ETD34-1S-14P骨架材料:PBT阻燃加固最高工作温度155度绕组截面积123/mm2绕组最小宽度20.9/mm平均匝长60/mm决定热阻RT和允许损耗磁芯损耗线圈损耗损耗热阻最大允许温升决定损耗极限lim/thPT R 允许温升由设计需求确定th20/RK W计算保证电感量所需要的匝数maxmaxeL INBA需要说明的是：电路中的滤波电感的电感量是由电感上的电压、电流脉动，电路的频率、电容大小、纹波要求等确定的。另外匝数需要取整，匝数取整后要重新计算另外匝数需要取整，匝数取整后要重新计算磁通密度。磁通密度。2240110ecpANLDETD磁芯是圆形端面，用下面公式计算端面中柱直径根据所需的电感量计算气隙长度24010gANL222010(H)N ALN G校正气隙后的截面积cm2边缘修正后的有效截面积EE型磁芯是矩形端面长度单位：cm计算导体尺寸、线圈电阻、损耗和温升bW=20.9mmhW=（25.4-13.4）/2=6mm窗口宽度窗口高度计算线圈的交流损耗频率为f 时的穿透深度（100C）7.65cmf/Qd有效面积减少倍数导体厚度为d 2d选择导线直径选择导线直径例如线圈绕m层Racdc/FRR电感中三角波交流电流分量的有效值/12AII 交流损耗为22acacRdcPI RI F R线圈总损耗WacdcPPP/Qd求总损耗线圈损耗磁芯损耗cVePPV总损耗cwPPP总损耗小于分配到电感的最大绝对损耗。WacdcPPP校验磁芯窗口，看是否绕下校验磁芯窗口，看是否绕下根据电感上电压根据电感上电压求磁芯的截面积求磁芯的截面积m1Le44.4NBfUA 求磁芯的窗口面积求磁芯的窗口面积电感线圈的匝数电感线圈的匝数jkNIAwLwNjBkILjBfkIILfjkNBfNIUAALLLLmw2m1w1wm1Lwe244.4244.4电感单位：电感单位：H H最大磁密最大磁密B Bmm单位：单位：T TsmBB 设计校核设计校核磁芯窗口面积的校核磁芯窗口面积的校核其中其中N N为绕组匝数为绕组匝数铁芯最大工作磁密的校核铁芯最大工作磁密的校核电感的最大峰值电流为电感的最大峰值电流为wCuwANAkmaxo,maxo,maxo,Lmax)22(22IIIIwCuwkNAA 42mw22omaxwe(cm)10)2/1(2jBkILAA)2/1(maxo,L II最大过载倍数时的输出电流，单位最大过载倍数时的输出电流，单位A A电流纹波系数电流纹波系数电流密度电流密度2A/mm53j窗口系数窗口系数5.01.0wkLA绕组匝数绕组匝数N1N1计算及线径计算计算及线径计算电感因数，单位电感因数，单位:亨亨/匝匝2 2L1ALN 导线的截面积导线的截面积)(mm2o22CujIkAoI逆变器的额定输出电流逆变器的额定输出电流2k逆变器电池供电时的最长过载倍数逆变器电池供电时的最长过载倍数j导线的电流密度导线的电流密度2A/mm导线直径导线直径4CuAd cl磁芯的最大磁场强度为磁芯的最大磁场强度为)(A/m)2/2(cmaxo,cmaxmaxlINlINH磁芯的磁路长度磁芯的磁路长度(m)(m)根据厂家手册查磁化特性曲线得到根据厂家手册查磁化特性曲线得到B B，必须保证在任何情况下磁芯不能饱和。必须保证在任何情况下磁芯不能饱和。损耗与温升计算损耗与温升计算铜耗计算铜耗计算分直流电阻损耗和交流损耗分别计算。直流分直流电阻损耗和交流损耗分别计算。直流损耗可以采用查表的方式，交流损耗应考虑损耗可以采用查表的方式，交流损耗应考虑集肤效应和邻近效应，查集肤效应和邻近效应，查DOWELDOWEL曲线获得。曲线获得。磁芯损耗计算磁芯损耗计算输出滤波电感的磁芯损耗分为输出滤波电感的磁芯损耗分为2 2部分，即电感部分，即电感中通过基波分量的损耗（中通过基波分量的损耗（50Hz50Hz），磁芯工作），磁芯工作在在1,31,3象限，工作频率低，磁滞损耗是磁芯包象限，工作频率低，磁滞损耗是磁芯包围的面积；围的面积；另一部分是叠加在基波电流上的高频纹波电另一部分是叠加在基波电流上的高频纹波电流分量，使磁芯工作在局部磁滞回线上，磁流分量，使磁芯工作在局部磁滞回线上，磁芯的涡流损耗较为严重。芯的涡流损耗较为严重。计算磁芯损耗时两者都要考虑，基波电流产计算磁芯损耗时两者都要考虑，基波电流产生的峰值磁密为生的峰值磁密为co20peak12lIkNBr基波电流频率为基波电流频率为50Hz50Hz，查阅磁芯材料的损，查阅磁芯材料的损耗曲线，得到磁芯损耗密度。耗曲线，得到磁芯损耗密度。ev1Fe1VPPeV磁芯的有效体积磁芯的有效体积高频纹波电流产生的峰值磁密为高频纹波电流产生的峰值磁密为(T)2co20peak2lIkNBr)(Wev2Fe2VPP高频磁芯损耗高频磁芯损耗)(W Fe2Fe1FePPP总的磁芯损耗总的磁芯损耗)(W CuFeLPPP总的电感损耗总的电感损耗对于环形磁芯绕制的电感，由于磁芯散热较对于环形磁芯绕制的电感，由于磁芯散热较慢，易受热老化，一般要求铁损小于铜损。慢，易受热老化，一般要求铁损小于铜损。温升计算温升计算电感温升与磁元件的表面积有关。电感温升与磁元件的表面积有关。APkAsssAskAP磁元件的表面积磁元件的表面积磁元件表面积系数，随磁芯形状不同而不同磁元件表面积系数，随磁芯形状不同而不同面积乘积面积乘积q单位面积耗散的平均功率单位面积耗散的平均功率)W/cm(2TsAPq 温升与温升与q q值的关系值的关系在自然冷却的条在自然冷却的条件下，磁元件的件下，磁元件的表面温升表面温升qkTt磁元件表面积与总损耗之间的如曲线所磁元件表面积与总损耗之间的如曲线所示，环境温度不同，散热系数示，环境温度不同，散热系数k kt t也不同。也不同。散热系数散热系数逆变器中变压器和滤波电感，虽然高次谐波影响磁芯的磁通摆幅较小，但dB/dt 一般比基波大而频率高，引起涡流损耗大，应按允许损耗选取磁通密度，或选取更薄的带料。结论结论