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单相交流电路中的功率计算问题
由于谐波和无功功率的补偿问题,对功率理论提出了新的要求.正确的计算电路中的各种功率成分,需要有明确的物理概念,正确的计算方法.本文就这两个方面对单相交流电路中的功率问题进行了讨论,作为进一步研究三相电路功率的基础.
LIU Fu-zhi
作者单位：
华东交通大学,基础科学学院,江西,南昌,330013
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IPM电路设计及在单相逆变器中的应用
&IPM电路设计及在单相逆变器中的应用
智能功率模块(IntelligentPowerModule，IPM)以开关速度快、损耗小、功耗低、有多种保护功能、抗干扰能力强、无须采取防静电措施、体积小等优点在电力电子领域得到越来越广泛的应用。以PM200DSA060型IPM为例。介绍IPM应用电路设计和在单相逆变器中的应用。
智能功率模块(IPM)的结构
IPM由高速、低功率IGWT、优选的门级驱动器及保护电路构成。其中，IGBT是GTR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GTR，因而IPM具有GTR高电流密度、低饱和电压、高耐压、MOSFET高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。
根据内部功率电路配置情况，IPM有多种类型，如PM200DSA060型：IPM为D型(内部集成2个IGBT)，其内部功能框图如图1所示，内部结构如图2所示。内有驱动和保护电路，保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护、过流保护和短路保护，当其中任一种保护功能动作时。IPM将输出故障信号FO。
IPM内部电路不含防止干扰的信号隔离电路、自保护功能和浪涌吸收电路。为了保证IPM安全可靠。需要自己设计部分外围电路。
IPM的外部驱动电路是IPM内部电路和控制电路之间的接口，良好的外部驱动电路对以IPM构成的系统的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。
由IPM内部结构图可见，器件本身含有驱动电路。所以只要提供满足驱动功率要求的PWM信号、驱动电路电源和防止干扰的电气隔离装置即可。但是.IPM对驱动电路输出电压的要求很严格：驱动电压范围为13.5V~16.5V，电压低于13.5V将发生欠压保护，电压高于16.5V可能损坏内部部件，驱动信号频率为5Hz-20kHz，且需采用电气隔离装置。防止干扰：驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的2倍(2Vces)，驱动电流达19mA一26mA，驱动电路输出端的滤波电容不能太大，这是因为当寄生电容超过100pF时。噪声干扰将可能误触发内部驱动电路。
图3所示是一种典型的高可靠性IPM外部驱动电路方案。来自控制电路的PWM信号经R1限流.再经高速光耦隔离并放大后接IPM内部驱动电路并控制开关管工作，FO信号也经过光耦隔离输出。其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压。15V电源，且接1只10&F的退耦电容器(图中未画出)以滤去共模噪声。Rl根据控制电路的输出电流选取.如用DSP产生PWM，则R1的阻值可为330&O。R2根据IPM驱动电流选值，一方面应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声。另一方面又要足够可靠地控制IPM。可在2k&O~6.8k&O内选取。C1为2端与地间的O.1&F滤波电容器，PWM隔离光耦的要求是tPLH10kV/&s，可选用HCPIA503型、HCPIA504型、PS204l型(NEC)等高速光耦，且在光耦输入端接1只O.1&的退耦电容器(图中未画出)。FO输出光耦可用低速光耦(如PC817)。IPM的内部引脚功能如表1所示。
图3的外部接口电路直接固定在PCB上且靠近模块输入脚，以减少噪声和干扰，PCB上布线的距离应适当，避免开关时干扰引起的电位变化。
另外，考虑到强电可能造成外部驱动电路到IPM引线的干扰，可以在引脚1~4间，3~4间，4~5间根据干扰大小加滤波电容器。
由于IPM本身提供的保护电路不具备自保护功能，所以要通过外围硬件或软件的辅助电路将内部提供的：FO信号转换为封锁IPM的控制信号，关断IPM，实现保护。
IPM有故障时，FO输出低电平，通过高速光耦到达硬件电路，关断PWM输出，从而达到保护IPM的目的。具体硬件连接方式如下：在PWM接口电路前置带控制端的3态收发器(如74HC245)。PWM信号经过3态收发器后送至IPM接口电路，IPM的故障输出信号FO经光耦隔离输出送入与非门。再送到3态收发器使能端OE。IPM正常工作时与非门输出为低电平。3态收发器选通，IPM有故障时与非门输出为高电平。3态收发器所有输出置为高阻态。封锁各个IPM的控制信号，关断IPM，实现保护。
IPM有故障时FO输出低电平，FO信号通过高速光耦送到控制器进行处理。处理器确认后。利用中断或软件关断IPM的PWM控制信号，从而达到保护目的。如在基于DSP控制的系统中，利用事件管理器中功率驱动保护引脚(PDPINT)中断实现对IPM的保护。通常1个事件管理器严生的多路PWM可控制多个IPM工作.其中每个开关管均可输出FO信号，每个开关管的FO信号通过与门.当任一开关管有故障时输出低电平，与门输出低电平。将该引脚连至PDPINT，由于PDPINT为低电平时DSP中断，所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态，从而达到保护目的。
以上2种方案均利用IPM故障输出信号封锁IPM的控制信号通道，因而弥补了IPM自身保护的不足，有效地保护了器件。
智能功率模块(IPM)的缓冲电路设计
在IPM应用中，由于高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的di/dt、dv/dt和瞬时功耗会对器件产生较大的冲击，易损坏器件，因此需设置缓冲电路(即吸收电路)，目的是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过压，降低器件开关损耗，保护器件安全运行。
图4为常用的3种IPM缓冲电路。图4(a)为单只无感电容器构成的缓冲电路，对瞬变电压有效且成本低，适用于小功率IPM。图4(b)为RCD构成的缓冲电路，适用于较大功率IPM.缓冲二极管D可箝住瞬变电压，从而抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。其RC时间常数应设计为开关周期的1/3，即r=T/3=1/3f。图4(c)为P型RCD和N型RCD构成的缓冲电路，适用于大功率IPM。功能类似于图4(b)所示的缓冲电路，其回路电感更小。若同时配合使用图4(a)所示的缓冲电路。还能减小缓冲二极管的应力，缓冲效果更好。
在图4(c)中，当IGBT关断时，负载电流经缓冲二极管向缓冲电容器充电，同时集电极电流逐渐减少，由于电容器二端的电压不能突变，所以有效地限制了IGBT集电极电压上升率dv/dt。也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。IGBT集电极母线电感、电路及其元件内部的杂散电感在IGBT开通时储存的能量，这时储存在缓冲电容器中。当IGBT开通时，集电极母线电感以及其他杂散电感又有效地限制了IGBT集电极电流上升率di/dt.同样也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。此时，缓冲电容器通过外接电阻器和IGBT开关放电，其储存的开关能量也随之在外接电阻器和电路、元件内部的电阻器上耗散。如此，便将IGBT运行时产生的开关损耗转移到缓冲电路，最后在相关电阻器上以热的形式耗散，从而保护IGBT安全运行。
图4(c)中的电阻值和电容值按经验数据选取：如PM200DSA060的电容值为0.221xF~0.47xF，耐压值是IGBT的1.1倍~1.5倍，电阻值为10?&20，电阻功率按P=fCU2xlO-6计算，其中f为IGBT工作频率，u为IGBT的工作峰值电压。C为缓冲电路与电阻器串联电容。二极管选用快恢复二极管。为了保证缓冲电路的可靠性，可以根据功率大小选择封装好的图4所示的缓冲电路。
另外，由于母线电感、缓冲电路及其元件内部的杂散电感对IPM尤其是大功率IPM有极大的影响，因此愈小愈好。要减小这些电感需从多方面人手：直流母线要尽量地短，缓冲电路要尽可能地靠近模块，选用低电感的聚丙烯无极电容器、与IPM相匹配的快速缓冲二极管及无感泄放电阻器。
智能功率模块(IPM)在单相全桥逆变器中的应用
图5所示的单相全桥逆变电路主要由逆变电路和控制电路组成。逆变电路包括逆变全桥和滤波电路，其中逆变全桥完成直流到交流的变换.滤波电路滤除谐波成分以获得需要的交流电，控制电路完成对逆变桥中开关管的控制并实现部分保护功能。
图中的逆变全桥由4个开关管和4个续流二极管组成，工作时开关管在高频条件下通断.开关瞬间开关管电压和电流变大，损耗大，结温升高，加上功率回路寄生电感、振荡及噪声等。极易导致开关管瞬间损坏，以往常用分立元件设计开关管的保护电路和驱动电路，导致电路庞大且不可靠。
本文采用一对PM200DSA060双单元IPM模块分别代替图中Vl、D1、V2、D2组合和V3、D3、v4、D4组合构成全桥逆变电路，利用DSP对IPM的控制，完成了中频率20kW、230V逆变器的设计和调试，采用了如上所述的驱动电路、图4(c)中的缓冲电路和基于DSP控制的软件IPM保护电路。设计实践表明：使用IPM可简化系统硬件电路、缩短系统开发时间、提高可靠性、缩小体积，提高保护能力。
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照明电路及单相电气装置的安装 -
　　第一章 总体要求
　　一、总则
　　二、配线工程·
　　三、电气照明装置
　　四、单相设备
　　第二章 安装条件及元件的检查、测试和验收
　　一、土建工程及开工应具备的条件
　　二、元件及材料的检查、测试和验收
　　三、施工组织设计的到位情况
　　第三章 照明电路及单相电气设备的安装
　　一、暗装线路及灯具、开关的安装
　　二、明装线路及灯具、开关的安装
　　三、其他相关器件及线路的安装
　　第四章 照明电路的测试及试灯
　　一、照明电路的检查和测试
　　二、送电及试灯
　　第五章 常见公共场所的照明及单相电气装置
　　一、一般公共照明装置
　　二、应急诱导灯的安装
　　三、水下照明灯具的安装
　　四、室内综合体育馆照明装置的安装
　　五、人工音乐彩色喷泉的安装及设备选择
　　六、舞台照明装置的安装
　　七、歌舞厅、宴会厅声光控制装置及照明灯具的安装
　　八、医疗X光机机房电气设备的安装
　　九、PLZ－3系列航空闪光障碍灯的安装
　　十、宾馆饭店客房电气设备的安装
　　十一、其他单相电气设备及照明装置的安装
　　第六章 单相电气设备及线路的测试和试验
　　一、总体要求
　　二、设备及线路的检查和试验
　　三、送电及试运行
　　参考文献
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