《電力電子技術(shù)》教案.doc
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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，電能的4種變換形式。 難點(diǎn)：無 教 學(xué) 過 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：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、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、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 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)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱。電力電子技術(shù)是一門嶄新的技術(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、航空、航海； ? 電力系統(tǒng)：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補(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： -可編輯修改- 電力電子技術(shù) 課程教案 第2講 課程類別 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； 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 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。 ? 兩類中，自20世紀(jì)50年代以來，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關(guān)狀態(tài)； 3）電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制； 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 ? 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： ? 半控型器件：通過控制信號(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以及門極可關(guān)斷晶閘管GTO； ? 不可控器件：不能用控制信號(hào)來控制其通斷，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： ? 電流驅(qū)動(dòng)型：通過從控制端注入或者抽出電流來實(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： ? 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（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，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)過渡過程，此過程中的電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的。 （3）開關(guān)特性：反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(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125~175°C范圍之內(nèi)。 （5）反向恢復(fù)時(shí)間trr trr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，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)工頻周期的過電流。 1.2.4 電力二極管的主要類型 ? 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 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）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品，1958年商業(yè)化，開辟了電力電子技術(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，開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)射極電流建立起來之后，a 迅速增大。 ? 阻斷狀態(tài)：IG=0，a1+a2很小，流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。 ? 開通（門極觸發(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，流過晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無窮大，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)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通； ? 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。 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)；正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通；隨著門極電流幅值的增大，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；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)同一晶閘管來說，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)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。 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)斷過程分析。 教 學(xué) 過 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 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）在20世紀(jì)80年代問世，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 門極可關(guān)斷晶閘管 （1）主要特點(diǎn)： ? 可以通過在門極施加負(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，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工作在開關(guān)狀態(tài)； （2）動(dòng)態(tài)特性 ? 開通過程：延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間ton。 ? 關(guān)斷過程：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，漏源極之間無電流流過。 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： -可編輯修改- 電力電子技術(shù) 課程教案 第5講 課程類別 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 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°，通過控制觸發(fā)脈沖的相位來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： ? 流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即： ? 流過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： -可編輯修改- 電力電子技術(shù) 課程教案 第6講 課程類別 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 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過零時(shí)，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來，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： -可編輯修改- 電力電子技術(shù) 課程教案 第7講 課程類別 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 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： -可編輯修改- 電力電子技術(shù) 課程教案 第8講 課程類別 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 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，換流過程結(jié)束。 多媒體 舉例講解 （2）換相重疊角——換相過程持續(xù)的時(shí)間，用電角度表示。 ? 換相過程中，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： -可編輯修改- 電力電子技術(shù) 課程教案 第9講 課程類別 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 教 學(xué) 過 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）基本工作過程： ? 在u2正半周過零點(diǎn)至wt=0期間，因u2下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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