电力电子技术教案.docx

第1、2课时课题：电力电子技术绪论教学目的和要求：掌握电力电子技术等概念,了解电力电子技术的发展史以及电力电子技术的应用。重点与难点：掌握电力电子技术等相关概念教学方法：图片展示，应用介绍，结论分析.预复习任务：复习前期学过的电工技术基础等课程的相关知识。1什么是电力电子技术Io1电力电子与信息电子信息电子技术一信息处理电力电子技术一一电力变换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。电力电子技术一一使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子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IW以下。Io2两大分支司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外变流技术（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、交流变交流输出输入直流交流交流整流交流电力控制、变频、变相直流直流斩波逆变Io3与相关学科的关系电力电子学名称60年代出现。/与电子学（信息电子学）的关系都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。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。二者同根同源。修与电力学（电气工程）的关系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、交直流电力传动、电解、电镀、电加热、高性能交直流电源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。与与控制理论（自动化技术）的关系控制理论广泛用于电力电子系统中.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.电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术2电力电子技术的发展史电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。四个阶段）1、史前期（1957年以前）：使用水银整流器（汞整流器），其性能和晶闸管类似.2、晶闸管时代（195870年代）3、全控型器件时代（70年代后期）4、复合器件时代（80年代后期）3电力电子技术的应用1）一般工业近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位.几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等。2）交通运输3）电力系统4）电子装置用电源5）家用电器第3、4课时课题：电力电子器件概述与电力二极管教学目的和要求：概述电力电子器件的概念、特点和分类。掌握电力二极管的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。重点与难点：掌握电力二极管的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用.教学方法：借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学预复习任务：复习前期学过的电工技术基础等课程的相关知识。1电力电子器件概述Io1电力电子器件的概念和特征1）概念：电力电子器件（PowerElectronicDevice）可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。2）分类:电真空器件（汞弧整流器、闸流管）半导体器件（采用的主要材料硅）3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。电力电子器件的损耗：通态损耗、断态损耗、开关损耗（开通损耗、判断损耗）L2应用电力电子器件系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。Io3电力电子器件的分类D按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：半控型器件（Thyristor）- -通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET）- -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.不可控器件（PowerDiode）- -不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路.2）按照驱动电路信号的性质，分为两类：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。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。2不可控器件-电力二极管2. 1PN结与电力二极管的工作原理塞基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。的由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的.从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。PN结的状态状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持IV反向大反向大阻态低阻态f¾阻态PN结的反向击穿（两种形式）：雪崩击穿、齐纳击穿，均可能导致热击穿PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应，称为结电容CJ,又称微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率,尤其是高速的开关状态。202电力二极管的基本特性主要指其伏安特性门槛电压UTO,正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。2）动态特性二极管的电压-电流特性随时间变化。由于结电容的存在。I023电力二极管的主要参数1）正向平均电流IF（AV）2）正向压降UF3）反向重复峰值电压URRM4）反向恢复时间trr5）最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。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125175C范围之内.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2o4电力二极管的主要类型1)普通二极管(GeneralPurposeDiode)2)快恢复二极管(FastRecoveryDiode-FRD)3.肖特基二极管第5、6课时课题：半控器件一晶闸管教学目的和要求：掌握晶闸管的工作原理、导通及关断条件特性和主要参数；了解晶闸管的外形、结构和电气符号；了解晶闸管的派生器件。重点与难点：教学重点：掌握晶闸管的工作原理、导通条件、特性及主要参数。教学难点：晶闸管的工作原理、导通条件、特性及主要参数。教学方法：借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学预复习任务：复习上节课学的电力二极管的相关知识，对比理解掌握本节课程。内容导入：1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司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，开始被全控型器件取代.1«晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装.有三个联接端。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。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间.晶闸管正常工作时的特性总结如下：1 .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.2 .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3o晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。4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。其其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应、阳极电压上升率du/dt过高、结温较高、光触发也只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。2o晶闸管的基本特性1)静态特性(1)正向特性外IG=O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。击E向电压超过正向转折电压Ub°,则漏电流急剧增大，器件开通。随遁着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶晶闸管本身的压降很小，在IV左右.(2)反向特性反反向特性类似二极管的反向特性.友反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过.当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.2）动态特性3 .晶闸管的主要参数1）电压定额断态重复峰值电压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。友反向重复峰值电压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。通通态（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。2）电流定额通态平均电流IT（AV）一在环境温度为4（C和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值.标称其额定电流的参数。维持电流IH-使晶闸管维持导通所必需的最小电流.擎住电流IL一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。浪涌电流ITSM一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。3）动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外,还有：断态电压临界上升率du/dt-指在额定结温和门极开路的情况下,不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。一电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。4o晶闸管的派生器件1）快速晶闸管有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善.普通晶闸管关断时间数百微秒,快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管IOlls左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。2）双向晶闸管可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极Tl和T2,一个门极Go在第I和第HI象限有对称的伏安特性。3）逆导晶闸管将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件.具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。4）光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘,且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。第7、8课时课题：典型全控型电力电子器件教学目的和要求：掌握门极可关断晶闸管的工作原理及特性、电力晶体管的工作原理了解电力场控晶体管的特性与参数及安全工作区。掌握电力场控晶体管的工作原理。掌握绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点了解静电感应晶体管静电感应晶闸管的工作原理。重点与难点：掌握电力晶体管、力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。教学方法：借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学预复习任务：复习上节课学的半控型器件晶