《電力電子技術(shù)》教案

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泰州學(xué)院

Q教案

2017—2018學(xué)年第二學(xué)期

學(xué)院（系、部）______________________________

教研室供驗(yàn)室）電氣工程教研室

課程名稱電力電力投小

授課班級(jí)______________________________

主講教師______________________________

Q職稱

使用教材《電力電子技術(shù)》王兆安主編

oXXXXXXX

二。一七年一月

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電力電子技術(shù)課程教案

課程類別

理論闌實(shí)訓(xùn)課口實(shí)驗(yàn)課口習(xí)題課口其他口2

安排

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(wú)

方法及手

教學(xué)過(guò)程

段

導(dǎo)入：電力電子技術(shù)的應(yīng)用案例。多媒體

新授：

1基本概念

1.1什么是電力電子技術(shù)舉例講解

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‘電力可大至擻百

MW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)的邕出，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)(PowerElectroni球版0年代Hz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；

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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^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。隼

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(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)能仃'、變蟀調(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：

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電力電子技術(shù)課程教案

琛時(shí)------

課程類別理論雷實(shí)訓(xùn)課□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課口其他口安排2

授課題目

2.1電力電子器件概述

2.2不控型器”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(wèn)題。

難點(diǎn)：基本特性及電力電子器件的兩個(gè)基本要求。

方法及手

教學(xué)過(guò)程

段

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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（MainPowerCircui]——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（PowerElectroniBevice）-----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(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（MercuryArc

Rectifier閘流管（Thyratro?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。

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(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，因此也就不需要飄動(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(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3區(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：

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；

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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O

1.2不可控器件一電力二極管

1.2.1PN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(門檻電壓UT°),正向電流才開(kāi)始明顯增

加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通)燧。與正向電流;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)，只有少子引起的微力'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

中的電壓一電流特性是隨時(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t"。

1.2.3電力二極管的主要參數(shù)

(1)正向平均電流*(AV)

在指定的管殼溫度(簡(jiǎn)稱殼溫，用及表示)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Up

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。

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(3)反向重復(fù)峰值電壓URR.

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i§)工作結(jié)溫TJM

結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用石表示，最高工作結(jié)溫I.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，EM通常在125?175c范圍之內(nèi)。

(5)反向恢復(fù)時(shí)間*

trJ+f,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)浪涌電湘FSM

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型

普通二極管(GeneralPurposeDioHe

快恢復(fù)二極管(FastRecoveryDiode

FRD

作業(yè)和思考題：

教學(xué)反思：

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電力電子技術(shù)課程教案

課程類別2

理論州實(shí)訓(xùn)課□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課口其他口安排

授課題目

2.3半控型器晶閘管

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；

方法及手

教學(xué)過(guò)程

段

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導(dǎo)入：多媒體、

復(fù)習(xí)回憶：1.二極管舉例

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？

錄像

3.功率二極管的伏安特性相比較有什么特點(diǎn)？

新授：

1.3半控型器件一晶閘管

晶閘管（Thyristo>:晶體閘流管，又稱可控硅整流器（SiliconControlled

Rectifie一■SCR）,1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLa。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、陽(yáng)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：

1I+Joi：c2=2I+do2；

1K4+匕；IA=L+1C2。

的共基極漏電流。由以上式（1-1）?（1-4）可得

ICBUCBU2T

A1（1）

I2

晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后,

迅速增大。

阻斷狀態(tài)：I于0,+12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。

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開(kāi)通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致古寓近于1的

話，流過(guò)晶閘管的電流I（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。I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（LightTriggeredThyrtsteLTT）

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(kāi)通；

晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。

要停晶閘管關(guān)新.R能件晶閘管的中流降到挎沂干零的臬一數(shù)值以下。

13.2晶閘管的基本特性

（1）正向特性

%=。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U”，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)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(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%:使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。

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5）擎住電流I「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【L約為1的2?4倍。

6）浪涌電流1rSM：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LT（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L5?2倍。

作業(yè)和思考題：P42習(xí)題4、5

教學(xué)反思：

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電力電子技術(shù)課程教案

2

課程類別理論州實(shí)訓(xùn)課□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課口其他口安排

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。

方法及手

教學(xué)過(guò)程

段

12

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導(dǎo)入：多媒體

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。

舉例講解

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年代何世，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。

141門極可關(guān)斷晶閘管

(1)主要特點(diǎn)：

可以通過(guò)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(lái)分析。

L4.2電力晶體管

電力晶體管(GiantTransisteGTR,直譯為巨型晶體管)；

耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管(BipolarJunctioriTransister—BJT),英文有

時(shí)候也稱為PowerBJT。

應(yīng)用：20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、力M率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT

和電力MOSFET取代。

13

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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t和上升時(shí)間t,二者之和為開(kāi)通時(shí)間t。

關(guān)斷過(guò)程：儲(chǔ)存時(shí)間件0下降時(shí)間t,r二者之和為關(guān)斷時(shí)間t；n

sfoff

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)；

BU>>>>Buo

BUBUBU

cbocexcescerceo

2)集電極最大耗散功率P『M

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)，I補(bǔ)速增大，只要I1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)，快然急劇上升，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(MetalOxideSemiconductorFET),簡(jiǎn)稱電力

MOSFET(PowerMOSFET)。

(1)結(jié)構(gòu).

rrnia

a)道b)

截止：漏源極間加正電源，柵源極間喝樂(lè)為零；

P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)L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

漏極電流節(jié)。柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。

14

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I較大時(shí)，I與U的關(guān)系近似線性,曲線的斜率定義為跨導(dǎo)G。

DDGS

5o非

50

飽

U=8V

和

40)GS

4(區(qū)

.30

A30飽和區(qū)6s=7V

D

I修

20=6V

GS

u

U

U=5V

1010GS

U=4V

GS

02U46801020304050

TU/V截止區(qū)U=3V

GS=UT

UGS

/V

DS

a)b)

1.4.4絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

(1)結(jié)構(gòu)和工作原理

c

I

c

EGIR%*

C

DN-

N+pN+N+pN-+

JJ漂移區(qū)+

,N-緩沖區(qū)GIR

32_Don

N+協(xié)區(qū)

Jp+

I

C集電極E

a)

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

MOSFET3反動(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H決定：

導(dǎo)通：大于開(kāi)啟電壓UGNh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?。?/p>

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

c1有源區(qū)

飽

和

區(qū)

增

U田

GE

M

U

反向

U阻O

區(qū)

斷

OUR

15

16

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作業(yè)和思考題:

教學(xué)反思:

17

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電力電子技術(shù)課程教案

2

課程類別理論州實(shí)訓(xùn)課□實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課口其他口安排

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。

方法及手

教學(xué)過(guò)程

段

18

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導(dǎo)入：多媒體

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)蒙)舉例講解

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：

I)_LJ2Usintd(t)°七.(1cos)0.45U!__

d2v2222

VT的移相范圍為180,通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制的輸出電壓大小的方

式稱為相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。

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0表示。

2.1.2單相半波可控整流電路(阻感負(fù)載)

19

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(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0的關(guān)系。

L儲(chǔ)存的能量保證了電流ipL-R-VDR回路中流通，此過(guò)程通常稱為續(xù)流，數(shù)量

關(guān)系(］近似恒為J,)：

II

2d

20

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I

dVDR

2.L3單相橋式全控整流電路

1.帶電阻負(fù)載的工作情況

u(i)

(1)工作原理及波形分缸儼於色等控橋?qū)?/p>

VT1和VT4組成一對(duì)橋聾饕熠馨懿翟患形得到觸發(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

U12Usintd(t)22U1cos0.9U1C0S

2

dJ~2j222

的移相范圍為180。

向負(fù)載輸出的平均電流值為：

TU22U1cosU1cos

1d20.92

dRVR2R2

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:

1U1COS

I10.452

dVT2.dR2

VT才

2.帶阻感負(fù)載的工作情況

21

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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;

1112Usintd(t)'"Ucos0.9Ucos

d222

(2)數(shù)量關(guān)系_，_￡

晶閘管移相范圍為90。

晶閘管導(dǎo)通角0與a無(wú)關(guān)，均為180。電流的平均值和有效值:

III1I0.7071

dT2d丁2dd

一7

作業(yè)和思考題：P97習(xí)題1、3

教學(xué)反思:

22

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電力電子技術(shù)......課程教案

S6W

課時(shí)

課程類別理論闌實(shí)訓(xùn)課口實(shí)驗(yàn)課口習(xí)題課口其他口2

安排

授課題目

3.2三相可控整流電路(三相半波可控整流電路)

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。

方法及手

教學(xué)過(guò)程

段

導(dǎo)入:多媒體

復(fù)習(xí)回顧:

新授:

2.2三相可控整流電路舉例講解

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。

T

a)

看三相半控整流電路

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T陽(yáng)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。

23

24

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(1)特點(diǎn)：阻感負(fù)載，L值很大，id波形基本平直。

aS30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90o

(2)數(shù)量關(guān)系

UU1.17U

dd02

變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為

III0.5771

2VT_2dd

V

晶閘管的額定電流為

I【VT0.3681

VT（AV）1.57

晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值

UU2.45U

FMRM2

作業(yè)和思考題：P97習(xí)題7

教學(xué)反思:

25

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電力電子技術(shù)......課程教案

-W1

堞時(shí)

課程類別

理論闌實(shí)訓(xùn)課口實(shí)驗(yàn)課口習(xí)題課口其他口2

安排

授課題目

3.2三相可控整流電路(三相橋式全控整流電路)

秋芋日刖、天水

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。

方法及手

教學(xué)過(guò)程

段

導(dǎo)入：多媒體

復(fù)習(xí)回顧：

新授：

22三相全控整流電路舉例講解

三相橋是應(yīng)用最為廣泛的整流電路。

肛\工￥15dl

r32\1

a

o~b負(fù)f〃d

_rv-y-\_

\2\1

1.帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況mg

當(dāng)aW60時(shí)，ud波/%均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波比Z與ud波形形狀一樣，也連續(xù)。

0()：

26

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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:

900；

120;同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3^VT6,VT5^VT2,脈沖相差180;

久一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波矗流電路；

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?0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