Z J U
P ERI
《电力电子线路设计》
陈国柱2011.冬
ZheJiang University, China
16学时、1学分考查、专题讨论、多媒体
电力电子与电力传动专业研究生选修课程
P ERI第一讲电力电子线路设计特点和内容Z J U
典型电力电子线路（装置）
Z J U各种电路拓扑如何变成一个个具体装置？
•拓扑：DC/DC、AC/DC、
DC/AC、AC/AC
•应用：开关电源，整流电源
（含PWM、PFC）、直流电机驱
动、充电器/机；逆变电源（UPS,
变频调速器、焊机电源）；周波变
换器、电能质量控制器、分布式发
电并网、电力换流站；脉冲电源、
充磁、点火、离子加速等
典型电力电子装置
Z J U电气连接（＋美观）够吗？
一套电力电子电路原理图，不一定每个人都能顺利实现调试成功！为什么？
Z J U
¾电力电子装置设计步骤
安装：电、机、热；调试
线路拓扑、控制方法器件、线缆材料、布局布线、辅助设计原理设计物理设计设计实施优化设计
完成
项目提出
注意撰写规范的“方案设计书”和“先紧后松”给调试预留足够时间处理不可预测事项
Z J U决定（推动）电力电子设计性能和成败的关键因数
•器件•线路拓扑•控制策略
•布局布线
•热管理
•机械结构
•综合封装
Dr. Varma, Sabi Tyco Electronics Co .
以前现在及以后重视焦点：
Z J U
Application
P r o g r e s s
Present Time
应用推动发展：解决应用实际问题！
电力电子技术的发展阶段
Prof. Bimal K. Bose, Life Fellow, IEEE, Univ. of Tennessee
Z J U
¾典型电力电子装置组成
•功率变换，驱动、隔离电路、控制电路•辅助电源、热管理、操作管理
驱动、隔离
功率变换
辅助电源
控制
热管理
操作管理
Z J U•某变频器控制电路
Z J U•某变频器驱动、隔离、辅助电源电路
Z J U•某变频器主电路、热管理
Z J U¾电力电子线路特点
•高功率密度
•高频率开关工作
•连续信号与脉冲信号电路混合
•强干扰源与敏感电路的混合
•电、热、机、材料混合
•标准线路与非标准元件布局的混合
Z J U特点1：开关工作，谐波/频谱复杂举例
用集成驱动
电路驱动大
功率IGBT
模块的电路
Z J U上升/下降、延时
•功率开关：IGBT 0.1~10 us, MOSFET: 10ns~1 us
•驱动电路：IR2110 ~30ns, M57962L ~1us
•逻辑电路：74L ~30 ns; 74HC ~15ns; 74LS ~10ns GaAs: 0.3 ns •导线： 6 inch/ns
Z J U电力电子线路频率范围广!
•产生的等效高频谐波：30kHz~1GHz, + 倍频•主要谐波还有：开关频率纹波几kHz~几MHz
Z J U 特点2：功率变换，功率/能量密度大、干扰强
功率：mW~ MW
电压：<1V~10 kV
电流：mA~几kA (组合等方法更大)
dt
di L v =dt
dv C i =能量开关带来问题：
Z J U能量开关问题I电磁干扰大
能量开关问题II
Z J U
•动态过程重要，边沿质量、线路效应
边沿质量线路效应
Z J U线路(元件、连线)的非理想引起线路效应
~mΩ/cm
~nH/cm
~pF
ESL: nH ESR:0.5Ω
能量开关问题III
Z J U寄生、分布参数影响
Z J U 1
2
3
45
6Loop1: main circuit loop;
Loop2&3: driver discharging
loops;
Loop4&5: driver charging loops;
Loop6: DC voltage charging
loop.能量开关问题IV: 回路重要!
能量开关问题V
Z J U动态电流大, 对电源要求高
能量开关问题VI
Z J U对地线（零参考点）要求高
•直流参数
•交流参数（趋肤）
•分布参数
P ERI特点3：综合性强，干扰源与敏感部件并存Z J U
•模拟＋数字
•模拟：零漂、噪声、干扰
•数字：高低电平切换、对边沿要求高
不同特性电路的区域分割、联系。
如模拟
地、数字地的分离与连接
Z J U特点4：共模干扰突出,即使电路电隔
•功率电路、驱动电路、控制电路、模拟电
路、数字电路，中性线、保护地和信号地•互相联系、有时必须隔离
Z J U特点5：功率耗散大、温度管理突出
•重要性：损坏器件、改变器件特性、影响电力电子设备寿命（加速老化、降低绝缘等级）
Z J U
热管理的内容：
•电力电子线路（器件）产生多少热、结温能有多高
•如何散热、系统热路（气流）
•发热器件、热敏感器件的排放
•PE设计者的自由度
特点6：非标准元件
Z J U
•特性不一致，如载流能力、安装布线要求不统一
Z J U线宽/焊盘/过孔，自动布线不能满足要求
特点7：应用性强，必须考虑现场环境因素
Z J U
•正确连接（略）
•可靠工作（前述内容：电磁干扰、元件非理想、线路效应、热管理）
•可操作：系统结构、空间布局：如进线出现、功率线路、控制线路；散热通路（自冷、风、水）、机械强度；端口器件的布局：插头、插座、指示灯、开关、按键、连接缆等
•可行：可得元器件、部件加工工艺或成本、装配工艺流程、返修过程的考虑
Z J U
•保护/安全：设备、人身
•调试/维修，大比量生产效率、成本。
如DFX，(X：制造、测试、成本、质量、可靠性、交付时间、使用、维修、回收、报废等)
Z J U 成功高效的线路设计，除原理图上的电气性能连接外，还须包括：
电力电子线路设计是系统工程
•知识涉及：电气、电磁、电子、半导体、绝缘、机械、热、材料等
•可靠性：静态指标、动态稳定；抗/产生干扰；散热；温
度、湿度、气压、振动等环境因素
•维护性：维修拆卸方便
•量产性：大规模复制工序、测试、成本
Z J U电力电子线路设计靠经验积累？
•一般讲，电力电子线路设计要靠长时间的实践经验积累。
但事实上，这种观点也不宜多提。
在传统的教育中多着重于电路原理而忽略实践知识；多集中于电原理，略视相关学科知识。
不能满足现代技术发展要求。
本课程的目的
•对于许多设计的实践知识事实上早已理论化或是大部分已理论化。
这样讲是希望新来者或困惑者能克服认识上的障碍，多学习别人的经验（理论？），其收益要远大于多年无头绪的从头开始的摸索。
PCB设计是电力电子线路设计的主要内容之一Z J U
•PCB装置
所有线路均在
PCB(1~n块)上实现
Z J U现代复杂电力电子线路中，PCB地位重要原因
•多个小元件（含IC）
•减小分布参数（据称60％EMC问题））
•提高一致行和量产效率
•固定需要
PCB实现的部分
•控制电路
•驱动电路
•吸收电路
•辅助部件
P ERI本课程的内容
Z J U
•电力电子线路设计内容和特点
•PCB 基础，电子设计自动化(EDA) 工具评价，设计原则与技巧（但不课堂讲授操作细节，要求自学）
•线路效应、信号完整性、回路与镜像、分布参数分析（Track, Pad, Via, Layer）
•电力电子的EMI机理与模型，滤波、屏蔽、阻抗匹配、接地方式、分层与回路优化等对策
•热模型及热设计
•系统构架、绝缘与连接、PCB板内关键元件的布局、以及测试与维护的线路考虑
本课程的先期课程
Z J U
•电力电子学的基础知识(拓扑、电路、电子技术、电磁场)•EMC/EMI
•电路CAD
•EDA基本知识
•课堂讲授基本原则，要求理论联系实践，亲自动手体会这些原则的应用，课堂讨论时间也有限
思考问题
Z J U
•电力电子电路设计特点？
•设计一个电力电子装置涉及哪些主要内容？
•结合自己课题选择一个典型电力电子线路原理方案（要求有一定复杂度，为后续课时用）
16学时、1学分，考查（研究生）＋讨论＋作业、多媒体。