《電力電子技術(shù)》教案
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泰州學(xué)院 教 案 2017～2018學(xué)年第二學(xué)期 學(xué)院(系、部) 教研室(實(shí)驗(yàn)室) 電氣工程教研室 課 程 名 稱 電力電子技術(shù) 授 課 班 級(jí) 主 講 教 師 職 稱 使 用 教 材 《電力電子技術(shù)》 王兆安主編 xxxxxxx 二○一七年一月 電力電子技術(shù) 課程教案 第1講 課程類(lèi)別 理論課√ 實(shí)訓(xùn)課□ 實(shí)驗(yàn)課□ 習(xí)題課□ 其他□ 課時(shí) 安排 2 授課題目 1 緒論 教學(xué)目的、要求 1．掌握電力電子技術(shù)的基本概念、學(xué)科地位、基本內(nèi)容； 2．了解電力電子技術(shù)的發(fā)展史； 3．了解電力電子技術(shù)的應(yīng)用、電力電子技術(shù)的發(fā)展前景； 4．了解本教材的內(nèi)容。 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn) 重點(diǎn)：電力電子器件的分類(lèi)，電能的4種變換形式。 難點(diǎn)：無(wú) 教 學(xué) 過(guò) 程 方法及手段 導(dǎo)入：電力電子技術(shù)的應(yīng)用案例。 新授： 1 基本概念 1.1 什么是電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)：使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級(jí)。 電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。 1.2 兩大分支 （1）電力電子器件制造技術(shù) 電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。 （2）變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)） 用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對(duì)其進(jìn)行控制的技術(shù)，以及構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。 電力變換四大類(lèi)：交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流 1.3 與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系 電力電子學(xué) (Power Electronics)名稱60年代出現(xiàn)； 1974年，美國(guó)的W.Newell用倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。 （1）與電子學(xué)（信息電子學(xué)）的關(guān)系 都分為器件和應(yīng)用兩大分支； 多媒體 舉例講解 器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術(shù)； 應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、分析方法、分析軟件也基本相同； 信息電子電路的器件可工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)；電力電子電路的器件一般只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)； （2）與電力學(xué)（電氣工程）的關(guān)系 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中：高壓直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償、電力機(jī)車(chē)牽引、交直流電力傳、電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源； 國(guó)內(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸為電氣工程的一個(gè)分支，電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個(gè)分支。 （3）與控制理論（自動(dòng)化技術(shù)）的關(guān)系 電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電的接口；控制理論是這種接口的有力紐帶； 電力電子裝置是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。 （4）地位和未來(lái) 電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起，和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來(lái)科學(xué)技術(shù)的兩大支柱。電力電子技術(shù)是一門(mén)嶄新的技術(shù)，21世紀(jì)仍將以迅猛的速度發(fā)展。 2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 一般工業(yè)：交直流電機(jī)、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)； 交通運(yùn)輸：電氣化鐵道、電動(dòng)汽車(chē)、航空、航海； 電力系統(tǒng)：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無(wú)功補(bǔ)償； 電子裝置電源：為信息電子裝置提供動(dòng)力； 家用電器： “節(jié)能燈”、變頻空調(diào)； 其他：UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置。 3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 電源技術(shù)：電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的電源； 節(jié)能技術(shù)：電力電子技術(shù)對(duì)節(jié)省電能有重要意義，特別在大型風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速，在使用量十分龐大的照明電源等方面。 作業(yè)和思考題： 教學(xué)反思： 10 電力電子技術(shù) 課程教案 第2講 課程類(lèi)別 理論課√ 實(shí)訓(xùn)課□ 實(shí)驗(yàn)課□ 習(xí)題課□ 其他□ 課時(shí) 安排 2 授課題目 2.1 電力電子器件概述 2.2 不控型器件—電力二極管 教學(xué)目的、要求 1.掌握電力電子器件的概念和特征； 2.熟悉應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成； 3.了解電力電子器件的分類(lèi)； 4.掌握電力二極管的工作特性。 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn) 重點(diǎn)：器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。 難點(diǎn)：基本特性及電力電子器件的兩個(gè)基本要求。 教 學(xué) 過(guò) 程 方法及手段 導(dǎo)入： 復(fù)習(xí)回顧。 新授： 1.1 電力電子器件概述 1.1.1 電力電子器件的概念和特征 主電路（Main Power Circuit）——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 電力電子器件（Power Electronic Device）——可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類(lèi)。 兩類(lèi)中，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，真空管僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導(dǎo)體器件。 電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅。 同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征： 1）處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)； 2）電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)； 3）電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制； 4）不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。 1.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。 1.1.3 電力電子器件的分類(lèi) 按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類(lèi)： 半控型器件：通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷，如晶閘管； 全控型器件：通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件，包括絕緣柵雙極晶體管IGBT、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET以及門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO； 不可控器件：不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路，如電力二極管。 （2）按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類(lèi)： 電流驅(qū)動(dòng)型：通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制； 電壓驅(qū)動(dòng)型：僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 （3）按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類(lèi)： 單極型器件：由一種載流子參與導(dǎo)電的器件； 雙極型器件：由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件； 復(fù)合型器件：由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 。 1.2不可控器件—電力二極管 1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕憾O管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素： 正向?qū)〞r(shí)要流過(guò)很大的電流； 引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響； 承受的電流變化率di/dt較大； 為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。 1.2.2 電力二極管的基本特性 （1）靜態(tài)特性：伏安特性 當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門(mén)檻電壓UTO），正向電流才開(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。 （2）動(dòng)態(tài)特性：因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，此過(guò)程中的電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的。 （3）開(kāi)關(guān)特性：反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程。 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù) （1）正向平均電流IF(AV) 在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 （2）正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。 （3）反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3，使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定。 （4）最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示，最高工作結(jié)溫TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度，TJM通常在125~175C范圍之內(nèi)。 （5）反向恢復(fù)時(shí)間trr trr= td+ tf ，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時(shí)間。 （6）浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。 1.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型 普通二極管（General Purpose Diode） 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode— FRD） 肖特基二極管 作業(yè)和思考題： 教學(xué)反思： 電力電子技術(shù) 課程教案 第3講 課程類(lèi)別 理論課√ 實(shí)訓(xùn)課□ 實(shí)驗(yàn)課□ 習(xí)題課□ 其他□ 課時(shí) 安排 2 授課題目 2.3半控型器件—晶閘管 教學(xué)目的、要求 1.掌握晶閘管的工作原理、參數(shù)的確定和型號(hào)的選擇，熟悉其基本特性，了解晶閘管的派生器件； 2.熟悉可關(guān)斷晶閘管（GTO）的結(jié)構(gòu)和工作原理，了解有關(guān)特性和參數(shù)。 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn) 重點(diǎn)：晶閘管的額定電流、額定電壓參數(shù)，晶閘管的額定電流計(jì)算，GTO的工作原理； 難點(diǎn)：晶閘管的額定電流計(jì)算和型號(hào)選擇，幾個(gè)重要參數(shù)的理解； 教 學(xué) 過(guò) 程 方法及手段 導(dǎo)入： 復(fù)習(xí)回憶： 1．二極管的導(dǎo)通原理是什么？ 2．功率二極管的額定電流如何計(jì)算？ 3．功率二極管的伏安特性相比較有什么特點(diǎn)？ 新授： 1.3 半控型器件—晶閘管 晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，又稱可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR），1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管，1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品，1958年商業(yè)化，開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代，20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代，能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位。 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 外形有螺栓型和平板型兩種封裝， 引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端， 對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便，平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。 工作原理： Ic1=a1 IA + ICBO1；Ic2=a2 IK + ICBO2； IK=IA+IG ；IA=Ic1+Ic2。 多媒體、舉例 錄像 式中a1和a2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式（1-1）~（1-4）可得 晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下a 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，a 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，a1+a2很小，流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。 開(kāi)通（門(mén)極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致a1+a2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。 其他幾種可能導(dǎo)通的情況： 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)； 陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高； 結(jié)溫較高； 光直接照射硅片，即光觸發(fā)。光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱為光控晶閘管（Light Triggered Thyristor——LTT） 只有門(mén)極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段。 晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)： 承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通； 承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通； 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用。 要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。 1.3.2 晶閘管的基本特性 （1）正向特性 IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)；正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通；隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。 （2）反向特性。 反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流流過(guò)；當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。 2）反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。 3）通態(tài)（峰值）電壓UT ——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。 通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓； 選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。 4） 維持電流 IH ：使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。 5）擎住電流 IL :晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍。 6）浪涌電流ITSM: 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流 。 7）通態(tài)平均電流 IT(AV) 使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流所造成的發(fā)熱效應(yīng)相等 ，即有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5~2倍。 作業(yè)和思考題：P42習(xí)題4、5 教學(xué)反思： 電力電子技術(shù) 課程教案 第4講 課程類(lèi)別 理論課√ 實(shí)訓(xùn)課□ 實(shí)驗(yàn)課□ 習(xí)題課□ 其他□ 課時(shí) 安排 2 授課題目 2.4典型全控型器件 教學(xué)目的、要求 1．熟悉可關(guān)斷晶閘管（GTO）的結(jié)構(gòu)和工作原理，了解有關(guān)特性和參數(shù)； 2．熟悉電力晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）的結(jié)構(gòu)和工作原理。 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn) 重點(diǎn)：熟悉GTR、P-MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的結(jié)構(gòu)及其工作原理； 難點(diǎn)：上述各種器件的導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程分析。 教 學(xué) 過(guò) 程 方法及手段 導(dǎo)入： 復(fù)習(xí)回顧： 1．晶閘管的額定電流如何計(jì)算？2．晶閘管的主要參數(shù)有哪些？3、與普通晶閘管相比較，對(duì)GTO的結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行比較分析。 新授： 1.4 典型全控型器件 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）在20世紀(jì)80年代問(wèn)世，是晶閘管的一種派生器件，標(biāo)志電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代，典型代表包括門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。 1.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 （1）主要特點(diǎn)： 可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷 GTO的電壓、電流容量較大。 （2）結(jié)構(gòu)：（與普通晶閘管相比） 相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極。 不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。 （3）工作原理：普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來(lái)分析。 1.4.2 電力晶體管 電力晶體管（Giant Transistor—GTR，直譯為巨型晶體管）； 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為Power BJT。 應(yīng)用：20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。 多媒體 舉例講解 1．GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 （1）靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)； 在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)； （2）動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程：延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。 關(guān)斷過(guò)程：儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff 。 GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。 （3）參數(shù) 1）最高工作電壓 GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿； 擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)； BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo。 2）集電極最大耗散功率PcM 最高工作溫度下允許的耗散功率。 一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降，常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。 1.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET）。 （1）結(jié)構(gòu) 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零； P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS 當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。 （2）特性 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。 ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管（IGBT） （1）結(jié)構(gòu)和工作原理 三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E； N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT； IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力； 簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管； RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件通斷由柵射極電壓uGE決定： 導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通； 通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減??； 關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。 （2）基本特性 作業(yè)和思考題： 教學(xué)反思： 14 電力電子技術(shù) 課程教案 第5講 課程類(lèi)別 理論課√ 實(shí)訓(xùn)課□ 實(shí)驗(yàn)課□ 習(xí)題課□ 其他□ 課時(shí) 安排 2 授課題目 3.1單相可控整流電路 教學(xué)目的、要求 1．掌握單相半波可控整流電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析、數(shù)量關(guān)系； 2．掌握不同負(fù)載時(shí)，單相橋式全控整流電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析和數(shù)量關(guān)系。 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn) 重點(diǎn)：1.掌握單相半波可控整流電路的工作原理、波形分析和數(shù)量關(guān)系； 2.掌握單相橋式全控整流電路的工作原理、波形分析和數(shù)量關(guān)系； 難點(diǎn)：1.單相半波可控整流電路的工作原理、波形分析。 2.單相橋式全控整流電路的工作原理、波形分析。 教 學(xué) 過(guò) 程 方法及手段 導(dǎo)入： 復(fù)習(xí)回顧： 新授： 2.1 單相可控整流電路 2.1.1 單相半波可控整流電路（電阻負(fù)載） 變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用； 電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同； 基本數(shù)量關(guān)系： VT的 移相范圍為180，通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。 多媒體 舉例講解 觸發(fā)延遲角：從晶閘管開(kāi)始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度，用a表示，也稱觸發(fā)角或控制角。 導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度，用θ表示。 2.1.2 單相半波可控整流電路（阻感負(fù)載） （1）特點(diǎn)： 電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不發(fā)生突變； VT的移相范圍為180； 簡(jiǎn)單，但輸出脈動(dòng)大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。 （2）討論負(fù)載阻抗角、觸發(fā)角a、晶閘管導(dǎo)通角θ的關(guān)系。 當(dāng)u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零，VT承受反壓關(guān)斷； L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過(guò)程通常稱為續(xù)流，數(shù)量關(guān)系（id近似恒為Id）： 2.1.3單相橋式全控整流電路 1．帶電阻負(fù)載的工作情況 （1）工作原理及波形分析 VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷。 VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過(guò)零時(shí)關(guān)斷。 （2）數(shù)量關(guān)系 的移相范圍為180。 向負(fù)載輸出的平均電流值為： 流過(guò)晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即： 流過(guò)晶閘管的電流有效值： 變壓器二次測(cè)電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等： 2．帶阻感負(fù)載的工作情況 （1）工作原理及波形分析 假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變； 假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線； （2）數(shù)量關(guān)系 晶閘管移相范圍為90。 晶閘管導(dǎo)通角θ與a無(wú)關(guān)，均為180。電流的平均值和有效值： 作業(yè)和思考題： P97習(xí)題1、3 教學(xué)反思： 18 電力電子技術(shù) 課程教案 第6講 課程類(lèi)別 理論課√ 實(shí)訓(xùn)課□ 實(shí)驗(yàn)課□ 習(xí)題課□ 其他□ 課時(shí) 安排 2 授課題目 3.2三相可控整流電路（三相半波可控整流電路） 教學(xué)目的、要求 1．掌握三相半波可控整流電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析、數(shù)量關(guān)系。 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn) 重點(diǎn)：工作原理、輸出電壓波形、晶閘管電壓波形分析； 難點(diǎn)：三相可控整流電路時(shí)，強(qiáng)調(diào)自然換流點(diǎn)、觸發(fā)脈沖移相范圍、臨界連續(xù)點(diǎn)等概念。 教 學(xué) 過(guò) 程 方法及手段 導(dǎo)入： 復(fù)習(xí)回顧： 新授： 2.2 三相可控整流電路 交流測(cè)由三相電源供電。 負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小、容易濾波。 基本的是三相半波可控整流電路，三相橋式全控整流電路應(yīng)用最廣 。 2.2.1三相半控整流電路 1．電阻性負(fù)載 （1）電路特點(diǎn) 變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。 三個(gè)晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起—共陰極接法。 （2）自然換相點(diǎn) 二極管換相時(shí)刻為自然換相點(diǎn)，是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角a的起點(diǎn)，即a =0。 多媒體 舉例講解 （3）整流電壓平均值的計(jì)算 a≤30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有： a>30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有： （4）負(fù)載電流平均值為 （5）晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值，即 （6）晶閘管陽(yáng)極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即 2．電阻性負(fù)載 （1）特點(diǎn)：阻感負(fù)載，L值很大，id波形基本平直。 a≤30時(shí)：整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同。 a>30時(shí)（如a=60時(shí)的波形如圖2-16所示）。 u2過(guò)零時(shí)，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來(lái)，才換流，——ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分。 id波形有一定的脈動(dòng)，但為簡(jiǎn)化分析及定量計(jì)算，可將id近似為一條水平線。 阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為90。 （2）數(shù)量關(guān)系 變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為 晶閘管的額定電流為 晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值 作業(yè)和思考題： P97習(xí)題7 教學(xué)反思： 21 電力電子技術(shù) 課程教案 第7講 課程類(lèi)別 理論課√ 實(shí)訓(xùn)課□ 實(shí)驗(yàn)課□ 習(xí)題課□ 其他□ 課時(shí) 安排 2 授課題目 3.2三相可控整流電路（三相橋式全控整流電路） 教學(xué)目的、要求 1．掌握三相橋式全控整流電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析、數(shù)量關(guān)系。 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn) 重點(diǎn)：工作原理、輸出電壓波形、晶閘管電壓波形分析； 難點(diǎn)：三相可控整流電路時(shí)，強(qiáng)調(diào)自然換流點(diǎn)、觸發(fā)脈沖移相范圍、臨界連續(xù)點(diǎn)等概念。 教 學(xué) 過(guò) 程 方法及手段 導(dǎo)入： 復(fù)習(xí)回顧： 新授： 2.2.2三相全控整流電路 三相橋是應(yīng)用最為廣泛的整流電路。 1．帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況 當(dāng)a≤60時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)。 ： 多媒體 舉例講解 當(dāng)a>60時(shí)，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值波形圖： ： 帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是120 對(duì)觸發(fā)脈沖的要求： 按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60； 共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120；同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180； ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路； 需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖。 2．阻感負(fù)載時(shí)的工作情況 （1）a≤60時(shí) ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似。各晶閘管的通斷情況、 輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形。 區(qū)別在于：得到的負(fù)載電流id波形不同。當(dāng)電感足夠大的時(shí)候， id的波形可近似為一條水平線。 （2）a >60時(shí) 阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同； 電阻負(fù)載時(shí)，ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分； 阻感負(fù)載時(shí)，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分； 帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90。 定量分析： 當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載a≤60時(shí)）的平均值為： 帶電阻負(fù)載且a >60時(shí)，整流電壓平均值為： 輸出電流平均值為 ： 當(dāng)整流變壓器為采用星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流有效值為： 作業(yè)和思考題： P97習(xí)題7、13 教學(xué)反思： 25 電力電子技術(shù) 課程教案 第8講 課程類(lèi)別 理論課√ 實(shí)訓(xùn)課□ 實(shí)驗(yàn)課□ 習(xí)題課□ 其他□ 課時(shí) 安排 2 授課題目 3.3 變壓器漏感對(duì)整流電路的影響 教學(xué)目的、要求 1．掌握變壓器漏感對(duì)整流電路的影響及換相壓降的計(jì)算 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn) 重點(diǎn)：換相過(guò)程中的換相重疊角概念、換相期間的整流電壓和換相壓降、重疊角的計(jì)算； 難點(diǎn)：重疊角的產(chǎn)生，換相期間整流電壓、換相壓降和重疊角的計(jì)算。 教 學(xué) 過(guò) 程 方法及手段 導(dǎo)入： 復(fù)習(xí)回顧。 新授： 2.3 變壓器漏感對(duì)整流電路的影響 考慮包括變壓器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，該漏感可用一個(gè)集中的電感LB表示，現(xiàn)以三相半波為例，然后將其結(jié)論推廣。 （1）VT1換相至VT2的過(guò)程： 因a、b兩相均有漏感，故ia、ib均不能突變。于是VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik；ik=ib是逐漸增大的，而ia=Id-ik是逐漸減小的；當(dāng)ik增大到等于Id時(shí)，ia=0，VT1關(guān)斷，換流過(guò)程結(jié)束。 多媒體 舉例講解 （2）換相重疊角——換相過(guò)程持續(xù)的時(shí)間，用電角度表示。 換相過(guò)程中，整流電壓ud為同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)相電壓的平均值： 換相壓降—與不考慮變壓器漏感時(shí)相比，ud平均值降低的多少。 換相重疊角的計(jì)算 （3）變壓器漏抗對(duì)各種整流電路的影響 出現(xiàn)換相重疊角，整流輸出電壓平均值Ud降低； 整流電路的工作狀態(tài)增多； 晶閘管的di/dt 減小，有利于晶閘管的安全開(kāi)通。有時(shí)人為串入進(jìn)線電抗器以抑制晶閘管的di/dt； 換相時(shí)晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正du/dt，可能使晶閘管誤導(dǎo)通，為此必須加吸收電路； 換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。 作業(yè)和思考題： 教學(xué)反思： 27 電力電子技術(shù) 課程教案 第9講 課程類(lèi)別 理論課√ 實(shí)訓(xùn)課□ 實(shí)驗(yàn)課□ 習(xí)題課□ 其他□ 課時(shí) 安排 2 授課題目 3.4電容濾波的不可控整流電路 教學(xué)目的、要求 1．了解電容濾波的不可控整流電路單相、三相的工作原理和波形分析。 教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn) 重點(diǎn)：電容濾波的不可控整流電路單相、三相的工作原理和波形分析。 難點(diǎn)：無(wú) 教 學(xué) 過(guò) 程 方法及手段 導(dǎo)入： 復(fù)習(xí)回憶。 新授： 2.4 電容濾波的不可控整流電路 2.4.1電容濾波的單相不可控整流電路 常用于小功率單相交流輸入的場(chǎng)合，如目前大量普及的微機(jī)、電視機(jī)等家電產(chǎn)品中。 （1）基本工作過(guò)程： 在u2正半周過(guò)零點(diǎn)至wt=0期間，因u2下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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