1、Power Electronics Technology 電力電子技術(shù)South China University of Technology第五部分 電力電子其他 相關(guān)技術(shù) 6South China University of Technology本節(jié)主要參考書目蘇開才、毛宗源現(xiàn)代功率電子技術(shù)，國防工業(yè)出版社，1999.05Mark I.Montrose電磁兼容和印刷線路板理論、設(shè)計和布線， 人民郵電出版社出版社，2002，125.1 概述散熱封裝生產(chǎn)環(huán)境影響控制策略無源器件功率開關(guān)器件變換電路電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)5. 2 可靠性電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技

2、術(shù)可靠性定義國際上，通用的可靠性定義為：在規(guī)定環(huán)境條件下，和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O(shè)計：通過設(shè)計奠定產(chǎn)品的可靠性基礎(chǔ)。研究在設(shè)計階段如何預(yù)測和預(yù)防各種可能發(fā)生的故障和隱患，以及確保產(chǎn)品的維修性。 整機故障原因統(tǒng)計 設(shè)計上的原因 40 元器件質(zhì)量上的原因 30 操作和維護上的原因 20 制造上的原因 10電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)可靠性設(shè)計準(zhǔn)則并聯(lián)系統(tǒng)準(zhǔn)則新技術(shù)采用準(zhǔn)則 熱設(shè)計準(zhǔn)則 電子元器件的選擇準(zhǔn)則 降額設(shè)計準(zhǔn)則 電磁兼容設(shè)計準(zhǔn)則簡化設(shè)計準(zhǔn)則容差設(shè)計準(zhǔn)則性能穩(wěn)定設(shè)計準(zhǔn)則電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)并聯(lián)系統(tǒng)準(zhǔn)則并聯(lián)系統(tǒng)模型如圖所示。圖中：U1，U

3、2均可單獨地實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，而且U1，U2任何一個單元出現(xiàn)故障，將自動（或手動）和輸入、輸出端斷開，同時接入另一個互為備份的單元。 顯然，并聯(lián)系統(tǒng)的任何一個單元的失效，均不會影響系統(tǒng)的功能，只有在二個單元均失效時，系統(tǒng)才不能正常工作。實際工程中，為了在成本和可靠性方面求得平衡，常常使用串聯(lián)和并聯(lián)混合系統(tǒng)。也就是對可靠度較低的單元采用并聯(lián)系統(tǒng)，可靠度高的單元保持串聯(lián)系統(tǒng)。模型如圖所示。 電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)電子元器件選擇準(zhǔn)則集成電路必須是一類品或者是符合MILM38510、MILS19500標(biāo)準(zhǔn)B1以上質(zhì)量等級的軍品。多采用集成電路，減少分立器件的數(shù)目。開關(guān)管選用MOSFE

4、T能簡化驅(qū)動電路，減少損耗。輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管。應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件。禁止選用塑料封裝的器件。設(shè)計時盡量少用繼電器，確有必要時應(yīng)選用接觸良好的密封繼電器。原則上不選用電位器，必須保留的應(yīng)進行固封處理。 開關(guān)電路中的電容，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性；由于電解液日久會干涸，而且由于受空間粒子轟擊時，電解質(zhì)會分解，所以鋁電解電容不適用于航天電子設(shè)備的電源中。盡量選用硅半導(dǎo)體器件，少用或不用鍺半導(dǎo)體器件。 電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)降額設(shè)計準(zhǔn)則電子元器件的基本失效率取決于工作應(yīng)力(包括電、溫度、振動

5、、沖擊、頻率、速度、碰撞等)。除個別低應(yīng)力失效的元器件外，其它均表現(xiàn)為工作應(yīng)力越高，失效率越高的特性。為了使元器件的失效率降低，所以在電路設(shè)計時要進行降額設(shè)計。降額程度，除可靠性外還需考慮體積、重量、成本等因素。不同的元器件降額標(biāo)準(zhǔn)亦不同，實踐表明，大部分電子元器件的基本失效率取決于電應(yīng)力和溫度，因而降額也主要是控制這兩種應(yīng)力。 電阻的功率降額系數(shù)在0.10.5之間。二極管的功率降額系數(shù)在0.4以下，反向耐壓在0.5以下。發(fā)光二極管電壓降額系數(shù)在0.6以下，功率降額系數(shù)在0.6以下。功率開關(guān)管電壓降額系數(shù)在0.6以下，電流降額系數(shù)在0.5以下。普通鋁電解電容和無極性電容的電壓降額系數(shù)在0.30

6、.7之間鉭電容的電壓降額系數(shù)在0.3以下。電感和變壓器的電流降額系數(shù)在0.6以下。5. 3 電磁兼容電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)定義所謂電磁兼容（Electromagnetic Compatibility）是指設(shè)備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。這里包含兩層意思：即它工作中產(chǎn)生的電磁發(fā)射要限制在一定水平內(nèi)；另外，它本身要有一定的抗干擾能力。這便是設(shè)備研制中所必須解決的兼容問題。電源濾波器通風(fēng)板電纜接線板通風(fēng)板電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)電磁屏蔽室高度掃描天線桿天線金屬地板轉(zhuǎn)臺上的受試件電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)屏蔽暗室

7、電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)頻譜分布日常生活中常用的頻率范圍，包括交流電源頻率、音頻、長、中、短波收音機占有的頻段、調(diào)頻及電視廣播、蜂窩電話常用的900MHz及1.8GHz。但實際的頻譜遠(yuǎn)比這擁擠得多，9KHz以上的頻段幾乎都被用于特定的場合。隨著微波技術(shù)廣泛應(yīng)用于日常生活，該圖中所示的頻率也很快將擴展至10GHz（甚至100GHz）。開關(guān)電源的工作基頻一般在2kHz至500kHz之間。開關(guān)電源在其工作頻率1000倍的頻率處仍具有很強的發(fā)射是常見的。上圖給出了個人計算機中常用的頻率為70kHz的開關(guān)電源的發(fā)射頻譜。電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)電力電子設(shè)備的EMC產(chǎn)生

8、電磁干擾有三個必要條件：干擾源、傳輸介質(zhì)、敏感的接收單元，EMC設(shè)計就是破壞這三個條件中的一個。對于開關(guān)電源而言，主要是抑制干擾源，干擾源集中在開關(guān)電路與整流電路。采用的技術(shù)包括濾波技術(shù)、布局與布線技術(shù)、屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、密封技術(shù)等。 EMI按傳播途徑分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。 220VAC電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)電力電子設(shè)備干擾的產(chǎn)生電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)傳導(dǎo)干擾、電力電子設(shè)備的諧波電流電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)傳導(dǎo)干擾的對策電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)傳導(dǎo)干擾的抑止傳導(dǎo)噪聲的頻率范圍很寬，從10kHz30MHz，我們雖然知

9、道產(chǎn)生干擾的原因，但從效率上來講，通過控制脈沖波形的上升與下降時間來解決未必是一個好辦法，解決辦法之一是加裝電源EMI濾波器、輸出濾波器及吸收電路。 鐵粉磁芯：不易飽和、導(dǎo)磁率低，作差模扼流圈的磁芯鐵氧體：最常用錳鋅：r = 500 10000，R = 0.1100m鎳鋅：r = 10 100，R = 1k 1Mm超微晶：r 10000，做大電感量共模扼流圈的磁心電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)電感的選用電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)濾波電容電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)濾波器的安裝電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)輻射干擾電力電子技術(shù)第五部分 電力電

10、子其他相關(guān)技術(shù)輻射干擾的對策電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)屏蔽用金屬材料將機箱內(nèi)部產(chǎn)生的噪音封閉起來的方法稱為屏蔽。屏蔽對防止外部噪音進入機箱也是同樣有效的。 屏蔽能有效抑制通過空間傳播的電磁干擾。采用屏蔽的目的有兩個：一是限制設(shè)備內(nèi)部的輻射電磁能越出某一區(qū)域；二是防止外部的輻射電磁能進入某一區(qū)域。按屏蔽所起的作用分，有電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽三種。電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)電場屏蔽電場屏蔽是用導(dǎo)體將噪音源包圍起來，然后接地，就能達到屏蔽的目的。由于導(dǎo)體表面的反射損耗很大，因此很薄的材料（鋁箔、銅箔）也有很好的屏蔽效果，但要求其為良導(dǎo)體，強度要足夠，且接地要良

11、好。另外，機箱上即使有縫隙，也不會產(chǎn)生太大的影響。 電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)磁場屏蔽磁場屏蔽主要用來屏蔽低頻磁場的干擾，這種干擾是由交流電流或直流電流產(chǎn)生的。對這種低頻磁場，要通過使用高導(dǎo)磁率材料為磁場提供一條磁阻很低的旁路來實現(xiàn)屏蔽，這樣空間的磁場便會集中在屏蔽材料中，從而使磁敏器件免受磁場干擾。 低頻磁場屏蔽與射頻磁場屏蔽是完全不同的，射頻磁場的屏蔽使用導(dǎo)電率高的材料如鈹銅復(fù)合材料、銀、錫或鋁等材料，把它完全封閉起來，就可以了。但這些材料對低頻磁場沒有任何屏蔽作用。只有高導(dǎo)磁率的鐵磁合金才能屏蔽直流磁場或低頻磁場。電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)電磁場屏蔽電磁場

12、屏蔽的目的是要阻止電磁場在空間傳播。與電場和磁場屏蔽的機理不同，電磁場屏蔽的機理是： （1）屏蔽體金屬表面對電磁波的反射作用（就這一點來說，對屏蔽體的厚度無要求）。 （2）未被完全反射的電磁波在進入屏蔽體內(nèi)部時，繼續(xù)向前傳播的過程中會被屏蔽體金屬所吸收。 （3）當(dāng)部分未被吸收掉的電磁波透過金屬到達屏蔽體另一表層時，在金屬與空氣交界面上會再次形成反射，重返屏蔽體內(nèi)部，結(jié)果在屏蔽體內(nèi)部形成多次反射和吸收現(xiàn)象（當(dāng)然最終還會有少量電磁波透過屏蔽體而進入被保護空間）。因此，電磁屏蔽是基于金屬材料對電磁波的反射和吸收兩個作用來完成的。電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)輻射干擾的屏蔽措施 對于輻射干

13、擾主要應(yīng)用密封屏蔽技術(shù)，在結(jié)構(gòu)上實行電磁封閉，要求外殼各部分之間具有良好的電磁接觸，以保證電磁的連續(xù)性。目前為減少重量大都采用鋁合金外殼，但鋁合金導(dǎo)磁性能差，因而外殼需要鍍一層鎳或噴涂導(dǎo)電漆，內(nèi)壁貼覆高導(dǎo)磁率的屏蔽材料。導(dǎo)電材料要求導(dǎo)電性能高、有彈性、具有最小的寬厚比。電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)實際屏蔽體的問題外殼永久連接處用導(dǎo)電膠粘牢或采用連續(xù)焊縫結(jié)構(gòu)，需拆卸的可以用導(dǎo)電橡膠條壓緊來保證電磁連續(xù)性。差模輻射共模輻射電流環(huán)桿天線電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)線路板的兩種輻射機理E = 2.6 I A f 2 / D低通濾波器布線電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)

14、技術(shù)減小差模輻射的方法V = L(di/dt)這個環(huán)路盡量小電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)電源線噪聲的消除電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)瞬態(tài)干擾的抑止電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)布局和布線緩沖電路盡量貼近開關(guān)管和輸出整流二極管。脈沖電流流過的區(qū)域遠(yuǎn)離輸入輸出端子，使噪聲源和出口分離?？刂齐娐泛凸β孰娐贩珠_，采用單點接地方式，大面積接地容易引起天線作用，所以建議不要采用大面積接地方式。必要時可以將輸出濾波電感安置在地回路上。采用多只低ESR（等效串聯(lián)電阻）的電容并聯(lián)濾波。采用銅箔進行低感低阻配線。相鄰印制線之間不應(yīng)有過長的平行線，走線盡量避免平行，采用垂直交

15、叉方式，線寬不要突變，也不要突然拐角。禁止環(huán)形走線。電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)地線引發(fā)干擾的原因123123I1I2I3I1I2I3ABCABCR1R2R3串聯(lián)單點接地優(yōu)點：簡單缺點：公共阻抗耦合并聯(lián)單點接地優(yōu)點：無公共阻抗耦合缺點：接地線過多電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)接地電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)接地5. 4 散熱技術(shù)電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)散熱的必要性在電子設(shè)備廣泛應(yīng)用的今天。如何保證電子設(shè)備的長時間可靠運行，一直困擾著工程師們。造成電子設(shè)備故障的原因雖然很多，但是高溫是其中最重要的因素（其它因素重要性依次是振動Vibrat

16、ion、潮濕Humidity、灰塵Dust），溫度對電子設(shè)備的影響高達60。 電源設(shè)備內(nèi)部的溫升將導(dǎo)致元器件的失效，當(dāng)溫度超過一定值時，失效率將呈指數(shù)規(guī)律增加。國外統(tǒng)計資料表明電子元器件溫度每升高2，可靠性下降10 。電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)相關(guān)概念元件額定工作結(jié)溫Tjm：即元件允許的最高工作溫度極限。本參 數(shù)由制造廠提供，或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)強制給出要求。元件的損耗功率P：元件在工作時自身產(chǎn)生的平均穩(wěn)態(tài)功率消耗， 定義為平均有效值輸出電流與平均有效值電壓降的乘積。耗散功率Q：特定散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力。熱阻R：熱量在媒質(zhì)之間傳遞時單位功耗所產(chǎn)生的溫升。 R=T/Q熱傳遞的方式有三種：輻射

17、、對流、傳導(dǎo)。 電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)散熱器的選配 散熱器配置的目的，是必須保證它能將元件的熱損耗有效地傳導(dǎo)至周圍環(huán)境，并使其熱源（即結(jié)點）的溫度不超過Tjm 。用公式表示為 PQ=（Tjm-Ta）/R( Ta為環(huán)境溫度 )。 而熱阻又主要由三部分組成：R=Rjc+Rcs+RsaRsa散熱器至空氣的熱阻，它是散熱器選擇的重要參數(shù)，與材質(zhì)、 材料的形狀和表面積、體積以及散熱介質(zhì)（如水、空氣）流速等參數(shù)有關(guān)。 Rjc結(jié)點至管殼的熱阻，與元件的工藝水平和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，由制造廠給出；Rcs管殼至散熱器的熱阻，與管殼和散熱器之間的填隙介質(zhì)（通常為空氣）、接觸面的粗糙度、平面度以及安

18、裝的壓力等密切相關(guān)。介質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好或者接觸越緊密，則Rcs越小。電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)散熱器選配的基本原則Rsa（Tjm-Ta）/P- Rjc-Rcs 一般散熱器廠商應(yīng)提供特定散熱器材料的形狀參數(shù)和熱阻特性曲線，據(jù)此設(shè)計人員可計算出所需散熱器的表面積、長度、重量，并進一步求得散熱器的熱阻值Rsa 。 電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)散熱材料常見金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù) 金 317 W/mK 銀 429 W/mK 鋁 401 W/mK 鐵 237 W/mK 銅 480 W/mK AA6061型鋁合金155 W/mK AA6063型鋁合金 201 W/mK ADC12型鋁合金 96 W/mK AA1070型鋁合金 226 W/mK AA1050型鋁合金 209 W/mK 單位為W/mK，即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（1K1）時的熱傳導(dǎo)功率。 電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)自然散熱按流體產(chǎn)生流動的原因不同，可分為自然對流和強制對流。 電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)風(fēng)冷散熱風(fēng)速（英尺/秒） 熱阻（/W） 0 3.5 100 2.8 200 2.3 300 2.0 400 1.8 風(fēng)冷散熱，實際上就是強制對流散熱。 電力電子技術(shù)第五部分 電力電子其他相關(guān)技術(shù)風(fēng)扇的選擇風(fēng)扇在散熱中的職責(zé)為：憑借自身的導(dǎo)流作用，令