电力电子装置设计与应用一、什么是设计
设计是将设计者的思维变成研制工作必需的图纸和数据的过程，设计是电力电子装置研制过程中必不可少的重要环节。
在设计过程中，依靠的是理论知识、实际经验和各种参考数据，理论知识起的是指导作用，实际经验和参考数据起的是支持作用。
二、设计类型
1,原理设计,是一种不完全的，为可行性论证而进行的设计。例如：设计某种电路图，
其目的是为了证明可用该电路实现某些功能，在设计中只要求定性的分析其工作原理，工作波形等。
2,参数设计,原理设计的补充，为了使原理设计得以实现，具体计算电路的各种参数是必不可少的，通过参数设计可使原理设计得到修正和补充，进一步提高原理设计的可行性。
3,程序设计,现代电力电子装置应用微处理器组成控制核心电路的越来越多，因此程序设计已经逐渐成为设计过程中不可缺少的组成部分。
4,结构设计,研究工作向装置制造转化的重要步骤，包括主电路机械结构、控制电路结构、外部接口、机柜或机箱结构等，主要目的是：确定装置硬件之间的位置关系，
为制造实际装置提供可行数据和图纸。结构设计内容颇为复杂，需要较多的实际经验和参考依据。
三、设计流程要完成一个装置的设计，需要经过以下一些步骤：
1,初步设计,内容包括原理设计、参数概算、验证初步设计可行性的局部实验等。
例如：设计一个装置的电原理图。
2,技术设计,内容包括电路参数计算、元件选择。这里面有些元件的参数计算和选择较为容易，如半导体器件、电阻电容等，
经过参数计算后，可直接由定型产品中得到。另一些没有定型产品的元件只进行电参数计算是远远不够的，还要进行结构参数计算和工艺设计，再通过生产部门加工才能得到，如变压器、电抗器等。为了验证可行性，有时还必须进行原理样机的实验过程。
3,总体（工程）设计,为制造装置而进行的全面设计，对电器装置而言，与前述设计最大的不同在于增加了大量的机械结构设计内容（参考结构设计）。目的是产生制造装置的详细图纸和各种参数。
四、设计依据
1、各种 标准,设计中必须按照各种现行国家标准（ GB）、国家军用标准（ GJB）、
行业标准的有关规定执行。
例如：设计制造国内使用的某电力电子装置，按我国电制标准规定，输入交流电源必须为 380/220V 50HZ。电信系统二次电源设备输入电源必须为 DC48V。因此，在设计该类装置时都要执行该标准。
又如：国军标规定了电子设备的电磁兼容性标准，设计制造军用电子设备必须照此标准执行。
有时为了使装置达到规定标准的要求，不得不设计与装置远离要求关系不大的电路。
特殊场合使用的设备不能按相关标准执行时，称为非标准设备。
2,技术要求 （技术指标）：被设计装置要达到的具体技术状态的细则，是研制装置要实现的目标，设计过程必不可少的约束条件。
五、设计课主要内容以典型逆变电源装置和开关电源装置为对象，以电参数和部分元器件结构参数为主要内容，讲解设计方法。
六、典型逆变电源装置设计
1、电路原理框图输入整流电路直流滤波电路电源逆变电路隔离变换电路输出滤波电路负载
2、设计顺序 -----一般按照从装置输出到输入的次序进行
根据负载要求计算输出电路参数；
根据输出电路输入端要求计算逆变电路参数；
根据逆变电路输出端要求计算逆变电路输入参数；
根据逆变电路输入参数计算输入整流电路；
当输入和输出之间有电压匹配和电气隔离要求时，还需加入隔离变换电路设计。
作为完整的装置还需设计的部分是：控制电路、保护电路、监测电路等。
6.1典型逆变电源输出电路
L
C RL’
iL
VOVi
ic iL’ iR
L
C RL’
iL
VOVi
ic iL’ iR
ic
iR VO
Vi
iL
VL
ic
iR VO
Vi
iL
VL
纯电阻负载时矢量图iL’
iL’ ic
感性负载时矢量图实例一、技术要求：
1、输出电压 115V / 200V
2、输出频率 400HZ
3、输出功率 30KVA（单相 10KVA）
4、负载功率因数 滞后
5、短时过载 150%
6、输入电压 380V± 10%
7、输入频率 50HZ± 10%
0.1~8.0C O S
二、负载参数
1、负载电阻最小值时0.1C O S
3 2 2 5.110101 1 5 322 OO PVR
8.0C O S 时
6 5 3.18.010101 1 5 322?C O SPVR OO
L
C RL’iL V
O
Vi
ic iL’ iR
2、负载电感最小值
KV APP OL 6co sco ss in 1
2042.2106115 322 LOL PVZ
HfZL L 023.87740022 0 4 2.22
3、滤波电容取滤波电容容抗等于负载电感感抗的 2倍
4 0 8 4.422 0 4 2.22 LC ZZ
FfZC C 2 5 7.904 0 8 4.44 0 02121
考虑实际情况取电容为 90微法
9个 F?10 HZV 502 5 0 的 AC电容用于 400HZ时耐压降为 60%V1 5 06.02 5 0
4 2 1 0.410904 0 02121 6 fCZ C 实
4、无输出隔离变压器时，逆变器输出电流（有效值，
设计电感、变压器等元件时参考）
① 长期连续最大电流（一相）
A
IIII CLRO
807.90
4210.4
115
2042.2
115
3225.1
115
22
2'2
长
② 桥臂连续最大电流
AII OOB 2 8 2.1 5 78 0 7.9033 长长
③ 短期最大电流（一相）
A
IIII CLRO
510.140
4210.4
115
2042.2
1155.1
3225.1
1155.1
5.15.1
22
2'2
短
④ 桥臂短期最大电流
AII OOB 370.243510.14033 短短
5、无输出隔离变压器时逆变器输出电流峰值（选择开关器件时参考）
AII OOP 4 2 0.1 2 88 0 7.9022 长长
① 长期连续电流峰值（一相）
② 桥臂连续最大电流峰值
③ 短期最大电流峰值（一相）
④ 短期桥臂最大电流峰值
AII OBO B P 4 3 0.2 2 22 8 2.1 5 722 长长
AII OBO B P 1 7 7.3 4 43 7 0.2 4 322 短短
AII OOP 711.198510.14022 短短
6、滤波电抗 L的计算输出滤波电路的主要作用是：
减小输出电压中谐波（特别是逆变电路中开关器件开关频率）电压的幅值
保证基波电压传输设计滤波器应注意以下问题：
① 滤波电路特征阻抗不应太大
CLZ T?
② 滤波电路固有谐振频率应远离输出电压中可能出现的谐波频率。 如,400HZ的倍频,800HZ、
1200HZ,1600HZ,2000HZ等
LC2?
RL?
③ 不应太大而接近 1
④ 应该较小（ R按负载最重时考虑）
功率越大，负载功率因数越低的逆变电源装置越应按 ③④ 条考虑。
因滤波电容和负载并联，对逆变电路输出电流影响较大，所以在设计滤波电路时，应按先选择滤波电容，再根据上述原则和对基波传输、谐波衰减的特性选择电感参数。
滤波电路参数和主开关器件工作频率有关，
主开关器件工作频率
OK fNf 3? OK Nff?
HZf K 960034008
三相 单相
N为正整数时按同步工作方式，不为整数时按异步方式工作。主开关器件工作频率高对滤波器有好处，可减小滤波电抗参数，但对逆变器效率不利，对电压利用率不利。
本例选 N=8 则由于各桥臂移相原因，输出线电压的斩波频率为：
HZf K 1 9 2 0 02?
根据图 选 6.0?LHL?
732.2384002
6.0?
H?240
可得实选滤波电路固有谐振频率
HZLCf 9 1 2.1 0 8 21090102 4 02121 66
136 44.02?LC?
从图中可看出，电压波动小。
设计是将设计者的思维变成研制工作必需的图纸和数据的过程，设计是电力电子装置研制过程中必不可少的重要环节。
在设计过程中，依靠的是理论知识、实际经验和各种参考数据，理论知识起的是指导作用，实际经验和参考数据起的是支持作用。
二、设计类型
1,原理设计,是一种不完全的，为可行性论证而进行的设计。例如：设计某种电路图，
其目的是为了证明可用该电路实现某些功能，在设计中只要求定性的分析其工作原理，工作波形等。
2,参数设计,原理设计的补充，为了使原理设计得以实现，具体计算电路的各种参数是必不可少的，通过参数设计可使原理设计得到修正和补充，进一步提高原理设计的可行性。
3,程序设计,现代电力电子装置应用微处理器组成控制核心电路的越来越多，因此程序设计已经逐渐成为设计过程中不可缺少的组成部分。
4,结构设计,研究工作向装置制造转化的重要步骤，包括主电路机械结构、控制电路结构、外部接口、机柜或机箱结构等，主要目的是：确定装置硬件之间的位置关系，
为制造实际装置提供可行数据和图纸。结构设计内容颇为复杂，需要较多的实际经验和参考依据。
三、设计流程要完成一个装置的设计，需要经过以下一些步骤：
1,初步设计,内容包括原理设计、参数概算、验证初步设计可行性的局部实验等。
例如：设计一个装置的电原理图。
2,技术设计,内容包括电路参数计算、元件选择。这里面有些元件的参数计算和选择较为容易，如半导体器件、电阻电容等，
经过参数计算后，可直接由定型产品中得到。另一些没有定型产品的元件只进行电参数计算是远远不够的，还要进行结构参数计算和工艺设计，再通过生产部门加工才能得到，如变压器、电抗器等。为了验证可行性，有时还必须进行原理样机的实验过程。
3,总体（工程）设计,为制造装置而进行的全面设计，对电器装置而言，与前述设计最大的不同在于增加了大量的机械结构设计内容（参考结构设计）。目的是产生制造装置的详细图纸和各种参数。
四、设计依据
1、各种 标准,设计中必须按照各种现行国家标准（ GB）、国家军用标准（ GJB）、
行业标准的有关规定执行。
例如：设计制造国内使用的某电力电子装置，按我国电制标准规定，输入交流电源必须为 380/220V 50HZ。电信系统二次电源设备输入电源必须为 DC48V。因此，在设计该类装置时都要执行该标准。
又如：国军标规定了电子设备的电磁兼容性标准，设计制造军用电子设备必须照此标准执行。
有时为了使装置达到规定标准的要求，不得不设计与装置远离要求关系不大的电路。
特殊场合使用的设备不能按相关标准执行时，称为非标准设备。
2,技术要求 （技术指标）：被设计装置要达到的具体技术状态的细则，是研制装置要实现的目标，设计过程必不可少的约束条件。
五、设计课主要内容以典型逆变电源装置和开关电源装置为对象，以电参数和部分元器件结构参数为主要内容，讲解设计方法。
六、典型逆变电源装置设计
1、电路原理框图输入整流电路直流滤波电路电源逆变电路隔离变换电路输出滤波电路负载
2、设计顺序 -----一般按照从装置输出到输入的次序进行
根据负载要求计算输出电路参数；
根据输出电路输入端要求计算逆变电路参数；
根据逆变电路输出端要求计算逆变电路输入参数；
根据逆变电路输入参数计算输入整流电路；
当输入和输出之间有电压匹配和电气隔离要求时，还需加入隔离变换电路设计。
作为完整的装置还需设计的部分是：控制电路、保护电路、监测电路等。
6.1典型逆变电源输出电路
L
C RL’
iL
VOVi
ic iL’ iR
L
C RL’
iL
VOVi
ic iL’ iR
ic
iR VO
Vi
iL
VL
ic
iR VO
Vi
iL
VL
纯电阻负载时矢量图iL’
iL’ ic
感性负载时矢量图实例一、技术要求：
1、输出电压 115V / 200V
2、输出频率 400HZ
3、输出功率 30KVA（单相 10KVA）
4、负载功率因数 滞后
5、短时过载 150%
6、输入电压 380V± 10%
7、输入频率 50HZ± 10%
0.1~8.0C O S
二、负载参数
1、负载电阻最小值时0.1C O S
3 2 2 5.110101 1 5 322 OO PVR
8.0C O S 时
6 5 3.18.010101 1 5 322?C O SPVR OO
L
C RL’iL V
O
Vi
ic iL’ iR
2、负载电感最小值
KV APP OL 6co sco ss in 1
2042.2106115 322 LOL PVZ
HfZL L 023.87740022 0 4 2.22
3、滤波电容取滤波电容容抗等于负载电感感抗的 2倍
4 0 8 4.422 0 4 2.22 LC ZZ
FfZC C 2 5 7.904 0 8 4.44 0 02121
考虑实际情况取电容为 90微法
9个 F?10 HZV 502 5 0 的 AC电容用于 400HZ时耐压降为 60%V1 5 06.02 5 0
4 2 1 0.410904 0 02121 6 fCZ C 实
4、无输出隔离变压器时，逆变器输出电流（有效值，
设计电感、变压器等元件时参考）
① 长期连续最大电流（一相）
A
IIII CLRO
807.90
4210.4
115
2042.2
115
3225.1
115
22
2'2
长
② 桥臂连续最大电流
AII OOB 2 8 2.1 5 78 0 7.9033 长长
③ 短期最大电流（一相）
A
IIII CLRO
510.140
4210.4
115
2042.2
1155.1
3225.1
1155.1
5.15.1
22
2'2
短
④ 桥臂短期最大电流
AII OOB 370.243510.14033 短短
5、无输出隔离变压器时逆变器输出电流峰值（选择开关器件时参考）
AII OOP 4 2 0.1 2 88 0 7.9022 长长
① 长期连续电流峰值（一相）
② 桥臂连续最大电流峰值
③ 短期最大电流峰值（一相）
④ 短期桥臂最大电流峰值
AII OBO B P 4 3 0.2 2 22 8 2.1 5 722 长长
AII OBO B P 1 7 7.3 4 43 7 0.2 4 322 短短
AII OOP 711.198510.14022 短短
6、滤波电抗 L的计算输出滤波电路的主要作用是：
减小输出电压中谐波（特别是逆变电路中开关器件开关频率）电压的幅值
保证基波电压传输设计滤波器应注意以下问题：
① 滤波电路特征阻抗不应太大
CLZ T?
② 滤波电路固有谐振频率应远离输出电压中可能出现的谐波频率。 如,400HZ的倍频,800HZ、
1200HZ,1600HZ,2000HZ等
LC2?
RL?
③ 不应太大而接近 1
④ 应该较小（ R按负载最重时考虑）
功率越大，负载功率因数越低的逆变电源装置越应按 ③④ 条考虑。
因滤波电容和负载并联，对逆变电路输出电流影响较大，所以在设计滤波电路时，应按先选择滤波电容，再根据上述原则和对基波传输、谐波衰减的特性选择电感参数。
滤波电路参数和主开关器件工作频率有关，
主开关器件工作频率
OK fNf 3? OK Nff?
HZf K 960034008
三相 单相
N为正整数时按同步工作方式，不为整数时按异步方式工作。主开关器件工作频率高对滤波器有好处，可减小滤波电抗参数，但对逆变器效率不利，对电压利用率不利。
本例选 N=8 则由于各桥臂移相原因，输出线电压的斩波频率为：
HZf K 1 9 2 0 02?
根据图 选 6.0?LHL?
732.2384002
6.0?
H?240
可得实选滤波电路固有谐振频率
HZLCf 9 1 2.1 0 8 21090102 4 02121 66
136 44.02?LC?
从图中可看出，电压波动小。
