電力電子變換器
關(guān)注創(chuàng)建者：黑夜待黎明 創(chuàng)建時(shí)間：2017-02-13
電力電子變換器的實(shí)例教程
例如由于這些車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)不會持續(xù)運(yùn)行，靠電力驅(qū)動(dòng)的空調(diào)（AC）壓縮機(jī)和變速箱油泵替代了常見的輔助傳動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所有這些電驅(qū)動(dòng)裝置都需要快速、高效、可靠的電力電子變換器。
半導(dǎo)體行業(yè)先驅(qū)品牌仙童半導(dǎo)體針對這類電力電子變換器生產(chǎn)了多種類型的功率器件，并為移動(dòng)、工業(yè)、云、汽車、照明和計(jì)算行業(yè)提供了完整的低功率和高功率解決方案組合。典型的仙童轉(zhuǎn)換器由六個(gè)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）陣列構(gòu)成，每個(gè)IGBT搭配一個(gè)反向并聯(lián)二極管，用于將車輛電池組提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)三相交流電壓，從而驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)。每個(gè)“半橋”由兩個(gè)IGBT和兩個(gè)二極管構(gòu)成，為電機(jī)的單相供電。單個(gè)IGBT和二極管對一起構(gòu)成了一個(gè)雙向開關(guān)，結(jié)合逆變器中的其他開關(guān)，按照脈沖寬度調(diào)制方法工作，可生成控制電機(jī)所需的交流波形。通過5到20KHz頻率開關(guān)這些IGBT，可以得到脈沖直流電壓。經(jīng)平均后就能夠在各相產(chǎn)生正弦波，各相三個(gè)正弦波間的相位差為120度。這種三相正弦驅(qū)動(dòng)能在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場，通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)精確控制，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)載荷所需的扭矩。
電動(dòng)或混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器的額定功率介于50KW到100KW之間，交流壓縮機(jī)的功率在6KW的范圍之內(nèi)，因此這些設(shè)備消耗的功率很大，熱管理對它們的設(shè)計(jì)十分重要。傳統(tǒng)的方法是仿真電路，判斷特定工作條件下的功耗。然后將這些功率損耗作為3D熱仿真的輸入，用于預(yù)測IGBT和二極管的結(jié)溫。這種方法一般需要大約8小時(shí)才能仿真數(shù)十毫秒的工作時(shí)間，以便在一系列給定工作條件下對一次設(shè)計(jì)迭代的熱特征進(jìn)行描述。此外，單獨(dú)運(yùn)行電氣仿真和熱仿真以及手動(dòng)傳遞數(shù)據(jù)就占用了大量的工程時(shí)間。
展開 電力電子HIL仿真設(shè)備調(diào)研
一、調(diào)研背景
隨著電力電子技術(shù)在新能源、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的深入應(yīng)用，高校與科研機(jī)構(gòu)對相關(guān)教學(xué)科研設(shè)備的需求日益增長。HIL（硬件在環(huán)）仿真器作為電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心工具，其性能、適配性及性價(jià)比成為關(guān)注重點(diǎn)。本次調(diào)研聚焦市場主流設(shè)備，重點(diǎn)研究森木磊石最新推出的 單價(jià)2.48萬的EGBox Nano 入門級 HIL 仿真器，探究其在電力電子教學(xué)科研場景中的應(yīng)用價(jià)值。
二、電力電子教學(xué)科研設(shè)備市場現(xiàn)狀
目前，電力電子教學(xué)科研設(shè)備市場品牌多樣，既有國外的 Opal-RT、dSPACE、Typhoon 等老牌廠商，也有國內(nèi)森木磊石等企業(yè)。國外產(chǎn)品技術(shù)成熟，但價(jià)格高昂、售后響應(yīng)慢；部分國內(nèi)產(chǎn)品在功能適配性上存在不足。高校與科研機(jī)構(gòu)亟需一款兼具性能、教學(xué)適配性與高性價(jià)比的設(shè)備，以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研創(chuàng)新的需求。
三、EGBox Nano 產(chǎn)品分析
（一）核心優(yōu)勢突出性價(jià)比
1、極致便攜，顛覆傳統(tǒng)
EGBox Nano 外觀尺寸僅為 84mm（長）×181mm（寬）×51mm（高），小巧輕便，打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的笨重形態(tài)，便于課堂移動(dòng)教學(xué)與學(xué)生自主實(shí)踐。
2、聚焦教學(xué)，全面實(shí)用
精準(zhǔn)適配高校電力電子與電機(jī)控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，涵蓋 單相橋式可控整流、三相橋式有源逆變、永磁同步電機(jī)控制 等 20 + 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，覆蓋電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、電子信息工程等專業(yè)需求。
3、價(jià)格親民，資源普及
售價(jià)僅 ￥2.48w，相比進(jìn)口設(shè)備成本大幅降低，助力高校以更低投入實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的普及，緩解教學(xué)設(shè)備經(jīng)費(fèi)壓力。
展開 該論文提出了一種可規(guī)?；母邷鼐酆衔镫娙?em>器薄膜制備方法，可大幅提高聚合物電容器薄膜在高溫下的介電儲能特性，有望與現(xiàn)有聚合物電容器薄膜制備生產(chǎn)線相結(jié)合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，解決電容器在電力電子、航空航天和電動(dòng)汽車電控系統(tǒng)中面臨的過熱損壞難題。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805672
電介質(zhì)電容器具有極快的充放電效率和超高的功率密度，是一類極其重要的功率型儲能器件，在電網(wǎng)調(diào)頻、電磁武器、電力電子變換器、新能源汽車以及脈沖功率系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而以聚合物電介質(zhì)材料為主體的薄膜電容器熱穩(wěn)定性差，無法在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。尤其在高電場作用下，溫度升高會導(dǎo)致聚合物電介質(zhì)內(nèi)部泄漏電流呈指數(shù)上升趨勢，造成充放電效率及儲能密度急劇下降，無法滿足應(yīng)用需求。更嚴(yán)重的是，泄漏電流轉(zhuǎn)變成焦耳熱，使電容器溫度持續(xù)上升，最終損壞。
長期以來，國內(nèi)外學(xué)者主要通過納米摻雜來提升電容薄膜的高溫介電儲能性能，但目前無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模化制備及應(yīng)用。工業(yè)界的解決方法是引入冷卻系統(tǒng)將工作環(huán)境溫度降至電介質(zhì)材料最高使用溫度以下。例如，豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車電控系統(tǒng)使用冷卻系統(tǒng)將環(huán)境溫度從120-140攝氏度降至70-80攝氏度。然而，冷卻系統(tǒng)的存在無疑會增加動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，降低燃料使用效率。
高溫電容器聚合物電介質(zhì)薄膜規(guī)?；幚淼墓に嚪椒ㄊ疽鈭D
為解決上述問題，課題組提出采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在聚合物薄膜表面快速沉積具有寬能帶隙的納米絕緣層，以提高電極/介質(zhì)界面處的電荷注入勢壘，從而抑制聚合物電介質(zhì)薄膜在高溫下的泄漏電流，大幅提高了聚合物電介質(zhì)薄膜在高溫、高電場下的儲能特性。
展開 （一）電路仿真軟件PSIM（PowerSimulation）：
這軟件是Powersim公司開發(fā)的，在電力電子和電機(jī)控制這兩塊特別強(qiáng)。它能支持開關(guān)器件高階非線性行為模型，還有開關(guān)器件SPICE模型，運(yùn)行速度快，建模能力也很牛。像那種要算很長時(shí)間的復(fù)雜模擬任務(wù)，用它就特別合適。我之前做電力電子變換器仿真項(xiàng)目的時(shí)候，PSIM運(yùn)算效率高，幫了大忙。
Matlab/Simulink：
Simulink是基于MATLAB平臺的多域模擬和模型設(shè)計(jì)軟件。它里面有好多封裝好的電源IC底層數(shù)模邏輯控制模塊，還有專門針對電源應(yīng)用的器件建模、分析模組。再加上MATLAB那些工具，能做很復(fù)雜的建模和數(shù)理分析。不過呢，這軟件仿真速度有點(diǎn)慢。但它精度高，要是做那種有復(fù)雜數(shù)字控制和邏輯功能的電源系統(tǒng)仿真，選它就對了。
Pspice：
這是美國加州大學(xué)弄出來的電路分析仿真軟件，能模擬各種電源電路。它界面看著很直觀，用戶還能自己建元器件和元器件庫。仿真結(jié)果精度也比較高，就是速度太慢了，而且專門針對電源的分析工具不算多。要是做那種對精度要求高，電路又不太復(fù)雜的項(xiàng)目，我就會用它。
LTspice：
這是ADI公司開發(fā)的，它把電源仿真、原理圖采集還有波形觀測這些功能都集成在一起了。它內(nèi)置了ADI公司好多器件模型，還能導(dǎo)入自己定義的模型，特別實(shí)用。要是做模擬電路仿真涉及到ADI器件的項(xiàng)目，可以考慮用它。
SIMPLIS：
這是基于時(shí)域部分線性化技術(shù)的電源仿真軟件，在閉環(huán)開關(guān)電源設(shè)計(jì)這塊用得特別多，能很高效地仿真電源系統(tǒng)。
展開 我先簡單的把以上內(nèi)容總結(jié)一下：
電源適配器不是開關(guān)頻率越高，功率密度就越高，目前這個(gè)階段來說真正阻礙功率密度提高的是散熱系統(tǒng)和電磁設(shè)計(jì)（包括EMI濾波器和變壓器）和功率集成技術(shù)。
慎重選擇開關(guān)頻率，開關(guān)頻率會極大的影響整個(gè)變化器的功率密度，而且針對不同器件，拓?fù)?，最佳的開關(guān)頻率是變化的。
高頻確實(shí)產(chǎn)生很多很難解決的干擾問題，往往要找到干擾回路，然后采取一些措施。
為了繼續(xù)維持電力電子變換器功率密度的增長趨勢，高頻肯定是趨勢。只是針對高頻設(shè)計(jì)的電力電子技術(shù)很不成熟，相關(guān)配套芯片沒有達(dá)到要求，一些高頻的電源適配器電磁設(shè)計(jì)理論不完善和精確，使用有限元軟件分析將大大增加開發(fā)周期。
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電力電子變換器的最新內(nèi)容
長期深耕電力電子變換器設(shè)計(jì)與功率器件應(yīng)用，專業(yè)方向涵蓋新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，高功率密度變換器設(shè)計(jì)等，具備深厚的理論功底與產(chǎn)業(yè)化研發(fā)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。
內(nèi)容簡介：本報(bào)告聚焦電力電子變換系統(tǒng)全流程設(shè)計(jì)痛點(diǎn)，深度剖析傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式在效率、精度與迭代周期上的局限，圍繞功率器件精準(zhǔn)建模與電路仿真、機(jī)械應(yīng)力與多物理場熱力學(xué)仿真、電磁場耦合聯(lián)合仿真等前沿?cái)?shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，系統(tǒng)探究電力電子系統(tǒng)正向高效智能化設(shè)計(jì)路徑。
電力電子HIL仿真設(shè)備調(diào)研
一、調(diào)研背景
隨著電力電子技術(shù)在新能源、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的深入應(yīng)用，高校與科研機(jī)構(gòu)對相關(guān)教學(xué)科研設(shè)備的需求日益增長。HIL（硬件在環(huán)）仿真器作為電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心工具，其性能、適配性及性價(jià)比成為關(guān)注重點(diǎn)。本次調(diào)研聚焦市場主流設(shè)備，重點(diǎn)研究森木磊石最新推出的 單價(jià)2.48萬的EGBox Nano 入門級 HIL 仿真器，探究其在電力電子教學(xué)科研場景中的應(yīng)用價(jià)值
我之前做電力電子變換器仿真項(xiàng)目的時(shí)候，PSIM運(yùn)算效率高，幫了大忙。
Matlab/Simulink：
Simulink是基于MATLAB平臺的多域模擬和模型設(shè)計(jì)軟件。它里面有好多封裝好的電源IC底層數(shù)模邏輯控制模塊，還有專門針對電源應(yīng)用的器件建模、分析模組。再加上MATLAB那些工具，能做很復(fù)雜的建模和數(shù)理分析。不過呢，這軟件仿真速度有點(diǎn)慢。
1964年把用于通信領(lǐng)域的脈沖寬度調(diào)制（PWM）概念移植到電力電子變換器中，直流變換到交流的逆變器在理論上可以輸出交流正弦波電壓或電流。
1969 年，發(fā)明了PWM整流器.把PWM技術(shù)應(yīng)用在整流器上，通過控制脈沖.整流器的輸入電流可以為正弦波形，與電壓波形一樣。PWM變流器的發(fā)明，改變了電力電子整流裝置會使電網(wǎng)電流波形畸變的歷史。
故障分析
目前人們所說的交流調(diào)速系統(tǒng)，主要指電子式電力變換器對交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。
為了繼續(xù)維持電力電子變換器功率密度的增長趨勢，高頻肯定是趨勢。只是針對高頻設(shè)計(jì)的電力電子技術(shù)很不成熟，相關(guān)配套芯片沒有達(dá)到要求，一些高頻的電源適配器電磁設(shè)計(jì)理論不完善和精確，使用有限元軟件分析將大大增加開發(fā)周期。
免責(zé)聲明：本文系網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載，版權(quán)歸原作者所有。
為了繼續(xù)維持電力電子變換器功率密度的增長趨勢，高頻肯定是趨勢。只是針對高頻設(shè)計(jì)的電力電子技術(shù)很不成熟，相關(guān)配套芯片沒有達(dá)到要求，一些高頻的電源適配器電磁設(shè)計(jì)理論不完善和精確，使用有限元軟件分析將大大增加開發(fā)周期。
免責(zé)聲明：本文系網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載，版權(quán)歸原作者所有。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805672
電介質(zhì)電容器具有極快的充放電效率和超高的功率密度，是一類極其重要的功率型儲能器件，在電網(wǎng)調(diào)頻、電磁武器、電力電子變換器、新能源汽車以及脈沖功率系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
所有這些電驅(qū)動(dòng)裝置都需要快速、高效、可靠的電力電子變換器。
半導(dǎo)體行業(yè)先驅(qū)品牌仙童半導(dǎo)體針對這類電力電子變換器生產(chǎn)了多種類型的功率器件，并為移動(dòng)、工業(yè)、云、汽車、照明和計(jì)算行業(yè)提供了完整的低功率和高功率解決方案組合。典型的仙童轉(zhuǎn)換器由六個(gè)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）陣列構(gòu)成，每個(gè)IGBT搭配一個(gè)反向并聯(lián)二極管，用于將車輛電池組提供的直流電壓轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)三相交流電壓，從而驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)。
