《电力电子技术》教案.doc

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泰州学院

教案

2017～2018学年第二学期

学院（系、部）

教研室（实验室）

电气工程教研室

课程名称

电力电子技术

授课班级

主讲教师

职称

使用教材

《电力电子技术》王兆安主编

xxxxxxx

二○一七年一月电力电子技术课程教案

第1讲

课程类别

理论课√实训课□实验课□习题课□其他□

课时

安排

2

授课题目

1绪论

教学目的、要求

1．掌握电力电子技术的基本概念、学科地位、基本内容；

2．了解电力电子技术的发展史；

3．了解电力电子技术的应用、电力电子技术的发展前景；

4．了解本教材的内容。

教学重点及难点

重点：

电力电子器件的分类，电能的4种变换形式。

难点：

无

教学过程

方法及手段

导入：

电力电子技术的应用案例。

新授：

1基本概念

1.1什么是电力电子技术

电力电子技术：

使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。

电力电子技术变换的“电力”可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。

电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。

1.2两大分支

（1）电力电子器件制造技术

电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。

（2）变流技术（电力电子器件应用技术）

用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。

电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。

电力变换四大类：

交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流

1.3与相关学科的关系

Ø电力电子学（PowerElectronics）名称60年代出现；

Ø1974年，美国的W.Newell用倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。

（1）与电子学（信息电子学）的关系

Ø都分为器件和应用两大分支；

多媒体

举例讲解

Ø器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术；

Ø应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同；

Ø信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态；

（2）与电力学（电气工程）的关系

Ø电力电子技术广泛用于电气工程中：

高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传、电解、电镀、电加热、高性能交直流电源；

Ø国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支，电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。

（3）与控制理论（自动化技术）的关系

Ø电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带；

Ø电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。

（4）地位和未来

电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。

电力电子技术是一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。

2电力电子技术的发展史

Ø一般工业：

交直流电机、电化学工业、冶金工业；

Ø交通运输：

电气化铁道、电动汽车、航空、航海；

Ø电力系统：

高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿；

Ø电子装置电源：

为信息电子装置提供动力；

Ø家用电器：

“节能灯”、变频空调；

Ø其他：

UPS、航天飞行器、新能源、发电装置。

3电力电子技术的应用

Ø电源技术：

电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源；

Ø节能技术：

电力电子技术对节省电能有重要意义，特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面。

作业和思考题：

教学反思：

1

电力电子技术课程教案

第2讲

课程类别

理论课√实训课□实验课□习题课□其他□

课时

安排

2

授课题目

2.1电力电子器件概述

2.2不控型器件—电力二极管

教学目的、要求

1.掌握电力电子器件的概念和特征；

2.熟悉应用电力电子器件的系统组成；

3.了解电力电子器件的分类；

4.掌握电力二极管的工作特性。

教学重点及难点

重点：

器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。

难点：

基本特性及电力电子器件的两个基本要求。

教学过程

方法及手段

导入：

复习回顾。

新授：

1.1电力电子器件概述

1.1.1电力电子器件的概念和特征

Ø主电路（MainPowerCircuit）——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。

Ø电力电子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

Ø广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。

Ø两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（MercuryArcRectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。

因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。

Ø电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。

Ø同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：

1）处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级；

2）电力电子器件一般都工作在开关状态；

3）电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制；

4）不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。

1.1.2应用电力电子器件的系统组成

电力电子系统：

由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。

·

1.1.3电力电子器件的分类

Ø按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：

Ø半控型器件：

通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，如晶闸管；

Ø全控型器件：

通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件，包括绝缘栅双极晶体管IGBT、电力场效应晶体管MOSFET以及门极可关断晶闸管GTO；

Ø不可控器件：

不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路，如电力二极管。

（2）按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：

Ø电流驱动型：

通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制；

Ø电压驱动型：

仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。

（3）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：

Ø单极型器件：

由一种载流子参与导电的器件；

Ø双极型器件：

由电子和空穴两种载流子参与导电的器件；

Ø复合型器件：

由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。

1.2不可控器件—电力二极管

1.2.1PN结与电力二极管的工作原理

PN结的单向导电性：

二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。

造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：

Ø正向导通时要流过很大的电流；

Ø引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；

Ø承受的电流变化率di/dt较大；

Ø为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。

1.2.2电力二极管的基本特性

（1）静态特性：

伏安特性

当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。

与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。

当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。

（2）动态特性：

因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电流特性是随时间变化的。

（3）开关特性：

反映通态和断态之间的转换过程。

电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。

这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。

1.2.3电力二极管的主要参数

（1）正向平均电流IF（AV）

在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

（2）正向压降UF

指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。

（3）反向重复峰值电压URRM

指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3，使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。

（4）最高工作结温TJM

结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示，最高工作结温TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，TJM通常在125~175°C范围之内。

（5）反向恢复时间trr

trr=td+tf，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。

（6）浪涌电流IFSM

指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

1.2.4电力二极管的主要类型

Ø普通二极管（GeneralPurposeDiode）

Ø快恢复二极管（FastRecoveryDiode—FRD）

Ø肖特基二极管

作业和思考题：

教学反思：

电力电子技术课程教案

第3讲

课程类别

理论课√实训课□实验课□习题课□其他□

课时

安排

2

授课题目

2.3半控型器件—晶闸管

教学目的、要求

1.掌握晶闸管的工作原理、参数的确定和型号的选择，熟悉其基本特性，了解晶闸管的派生器件；

2.熟悉可关断晶闸管（GTO）的结构和工作原理，了解有关特性和参数。

教学重点及难点

重点：

晶闸管的额定电流、额定电压参数，晶闸管的额定电流计算，GTO的工作原理；

难点：

晶闸管的额定电流计算和型号选择，几个重要参数的理解；

教学过程

方法及手段

导入：

复习回忆：

1．二极管的导通原理是什么？

2．功率二极管的额定电流如何计算？

3．功率二极管的伏安特性相比较有什么特点？

新授：

1.3半控型器件—晶闸管

晶闸管（Thyristor）：

晶体闸流管，又称可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品，1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代，能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。

1.3.1晶闸管的结构与工作原理

Ø外形有螺栓型和平板型两种封装，

Ø引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端，

Ø对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便，平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。

工作原理：

Ic1=a1IA+ICBO1；Ic2=a2IK+ICBO2；

IK=IA+IG；IA=Ic1+Ic2。

多媒体、举例

录像

Ø式中a1和a2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。

由以上式（1-1）~（1-4）可得

Ø晶体管的特性是：

在低发射极电流下a是很小的，而当发射极电流建立起来之后，a迅速增大。

Ø阻断状态：

IG=0，a1+a2很小，流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。

Ø开通（门极触发）：

注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致a1+a2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。

IA实际由外电路决定。

其他几种可能导通的情况：

Ø阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；

Ø阳极电压上升率du/dt过高；

Ø结温较高；

Ø光直接照射硅片，即光触发。

光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）

Ø只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。

晶闸管正常工作时的特性总结：

Ø承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；

Ø承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；

Ø晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

1.3.2晶闸管的基本特性

（1）正向特性

IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态；正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通；随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。

（2）反向特性。

反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过；当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。

1.3.3晶闸管的主要参数

1）断态重复峰值电压UDRM

在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

2）反向重复峰值电压URRM

在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

3）通态（峰值）电压UT

——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。

Ø通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压；

Ø选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。

4）维持电流IH：

使晶闸管维持导通所必需的最小电流。

5）擎住电流IL:

晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。

对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。

6）浪涌电流ITSM:

指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

7）通态平均电流IT（AV）

使用时应按实际电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管。

应留一定的裕量，一般取1.5~2倍。

作业和思考题：

P42习题4、5

教学反思：

电力电子技术课程教案

第4讲

课程类别

理论课√实训课□实验课□习题课□其他□

课时

安排

2

授课题目

2.4典型全控型器件

教学目的、要求

1．熟悉可关断晶闸管（GTO）的结构和工作原理，了解有关特性和参数；

2．熟悉电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）的结构和工作原理。

教学重点及难点

重点：

熟悉GTR、P-MOSFET、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结构及其工作原理；

难点：

上述各种器件的导通和关断过程分析。

教学过程

方法及手段

导入：

复习回顾：

1．晶闸管的额定电流如何计算？

2．晶闸管的主要参数有哪些？

3、与普通晶闸管相比较，对GTO的结构、工作原理进行比较分析。

新授：

1.4典型全控型器件

门极可关断晶闸管（GTO）在20世纪80年代问世，是晶闸管的一种派生器件，标志电力电子技术进入了一个崭新时代，典型代表包括门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。

1.4.1门极可关断晶闸管

（1）主要特点：

Ø可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断

ØGTO的电压、电流容量较大。

（2）结构：

（与普通晶闸管相比）

Ø相同点：

PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。

Ø不同点：

GTO是一种多元的功率集成器件。

（3）工作原理：

普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。

1.4.2电力晶体管

Ø电力晶体管（GiantTransistor—GTR，直译为巨型晶体管）；

Ø耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。

Ø应用：

20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。

多媒体

举例讲解

1．GTR的结构和工作原理

（1）静态特性

Ø共发射极接法时的典型输出特性：

截止区、放大区和饱和区；

Ø在电力电子电路中GTR工作在开关状态；

（2）动态特性

Ø开通过程：

延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。

Ø关断过程：

储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。

GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。

（3）参数

1）最高工作电压

ØGTR上电压超过规定值时会发生击穿；

Ø击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关；

ØBUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。

2）集电极最大耗散功率PcM

Ø最高工作温度下允许的耗散功率。

Ø一次击穿：

集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。

Ø二次击穿：

一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降，常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。

1.4.3电力场效应晶体管

通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET），简称电力MOSFET（PowerMOSFET）。

（1）结构

截止：

漏源极间加正电源，栅源极间电压为零；

P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：

在栅源极间加正电压UGS

当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

（2）特性

Ø漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。

ØID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。

1.4.4绝缘栅双极晶体管（IGBT）

（1）结构和工作原理

Ø三端器件：

栅极G、集电极C和发射极E；

ØN沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT；

ØIGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力；

Ø简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管；

ØRN为晶体管基区内的调制电阻。

Ø驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件通断由栅射极电压uGE决定：

导通：

uGE大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；

通态压降：

电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小；

关断：

栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

（2）基本特性

作业和思考题：

教学反思：

1

电力电子技术课程教案

第5讲

课程类别

理论课√实训课□实验课□习题课□其他□

课时

安排

2

授课题目

3.1单相可控整流电路

教学目的、要求

1．掌握单相半波可控整流电路的电路结构、工作原理、波形分析、数量关系；

2．掌握不同负载时，单相桥式全控整流电路的结构、工作原理、波形分析和数量关系。

教学重点及难点

重点：

1.掌握单相半波可控整流电路的工作原理、波形分析和数量关系；

2.掌握单相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析和数量关系；

难点：

1.单相半波可控整流电路的工作原理、波形分析。

2.单相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析。

教学过程

方法及手段

导入：

复习回顾：

新授：

2.1单相可控整流电路

2.1.1单相半波可控整流电路（电阻负载）

Ø变压器T起变换电压和电气隔离的作用；

Ø电阻负载的特点：

电压与电流成正比，两者波形相同；

Ø基本数量关系：

VT的移相范围为180°，通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

多媒体

举例讲解

触发延迟角：

从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度，用a表示，也称触发角或控制角。

导通角：

晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示。

2.1.2单相半波可控整流电路（阻感负载）

（1）特点：

Ø电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变；

ØVT的移相范围为180°；

Ø简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。

（2）讨论负载阻抗角、触发角a、晶闸管导通角θ的关系。

Ø当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断；

ØL储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流，数量关系（id近似恒为Id）：

2.1.3单相桥式全控整流电路

1．带电阻负载的工作情况

（1）工作原理及波形分析

ØVT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。

ØVT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。

（2）数量关系

Ø的移相范围为180°。

Ø向负载输出的平均电流值为：

Ø流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：

Ø流过晶闸管的电流有效值：

Ø变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：

2．带阻感负载的工作情况

（1）工作原理及波形分析

Ø假设电路已工作于稳态，id的平均值不变；

Ø假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线；

（2）数量关系

Ø晶闸管移相范围为90°。

Ø晶闸管导通角θ与a无关，均为180°。

电流的平均值和有效值：

作业和思考题：

P97习题1、3

教学反思：

1

电力电子技术课程教案

第6讲

课程类别

理论课√实训课□实验课□习题课□其他□

课时

安排

2

授课题目

3.2三相可控整流电路（三相半波可控整流电路）

教学目的、要求

1．掌握三相半波可控整流电路的电路结构、工作原理、波形分析、数量关系。

教学重点及难点

重点：

工作原理、输出电压波形、晶闸管电压波形分析；

难点：

三相可控整流电路时，强调自然换流点、触发脉冲移相范围、临界连续点等概念。

教学过程

方法及手段

导入：

复习回顾：

新授：

2.2三相可控整流电路

Ø交流测由三相电源供电。

Ø负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。

Ø基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广。

2.2.1三相半控整流电路

1．电阻性负载

（1）电路特点

Ø变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。

Ø三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起—共阴极接法。

（2）自然换相点

二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a=0°。

多媒体

举例讲解

（3）整流电压平均值的计算

Øa≤30°时，负载电流连续，有：

Øa>30°时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：

（4）负载电流平均值为