完整电力电子技术教案

电力电子技术教案

周次：

时间：

课题：绪论第一章第一节电力二极管

课时：2课时

教学目标：1、了解什么是电力电子技术

2、电力二极管的结构与伏安特性

3、掌握掌握电力二极管的主要参数和使用

重点、难点：电力二极管的伏安特性和主要参数

教具：教材粉笔

教学方法：讲授法

时间分配：新授 80分钟小结 15分钟作业布置 5分钟

教学过程：

绪论

相关知识

一、什么是电力电子技术

电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体地说，就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前所用的电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百MW甚至GVV，也可以小到数W甚至1W以下。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。通常所用的电力有交流和直流两种。从公用电网直接得到的电力是交流的，从蓄电池和干电池得到的电力是直流的。从这些电源得到的电力往往不能直接满足要求，需要进行电力变换。如表0-1所示，电力变换通常可分为四大类，即交流变直流、直流变交流、直流变直流和交流变交流。交流变直流称为整流，直流变交流称为逆变。直流变直流是指一种电压(或电流)的直流变为另一种电压(或电流)的直流，可用直流斩波电路实现。交流变交流可以是电压或电力的变换，称做交流电力控制，也可以是频率或相数的变换。进行上述电力变换的技术称为变流技术。．

二.电力电子器件的发展简介

1.传统电力电子器件

2.现代电力电子器件

（1）双极型器件

（2）单极型器件

（3）混合型器件

三、变换电路与控制技术

四、对本课程的教学要求

第一节电力二极管

相关知识

一、结构与伏安特性

1、结构

电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础的。电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，图1-2示出了电力二极管的外形、结构和电气图形符号。从外形上看，电力二极管

主要有螺性型和平板型两种封装。

2、伏安特性

电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，如图

所示。当电力二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压)，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。

二、主要参数

1、正向平均电流IF

指电力二极管长期运行时，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。有时候，其参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时电力二极管的最大瞬时正向压降。

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此项参数。

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。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，用TJM表示。TJM通常在125一175℃范围之内。

5、反向恢复时间t

6.浪涌电流IFSM

指电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

三、电力二极管的参数选择及使用注意事项

1、参数选择

1）额定正向平均电流IF的选择原则

2）额定电压Urrm的选择原则

2、电力二极管使用注意事项

四、电力二极管的主要类型

1.普通二极管

普通二极管(General Purpose Diode)又称整流二极管( Rectifier Diade}，多用于开关频率不高（1 kHz以下)的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5微秒以上，这在开关频率不高时并不重要，在参数表中甚至不列出这一参数。但其正向电流定额和反向电压定额却可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。

2.快恢复二极管

的二极管被称为)微秒以下5〔一般在特别是反向恢复过程很短恢复过程很短，

快恢复二极管(Fast Recovery Diade-FRD)，简称快速二极管。工艺上多采用了掺金措施，结构上有的采用PN结型结构，也有的采用对此加以改进的PiIV结构。特别是采用外延型PiN结构的所谓的快恢复外延二极管}（Fast Recaery Epitaxial

Diode--FRED)，其反向恢复时间更短(可低于50ns)，正向压降也很低左右)，但其反向耐压多在1200 V以下。不管是什么结构，快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20---30ns。

3，肖特基二极管

以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管( Schottky

Bar-rier L3iad---SBD} ,简称为肖特基二极管。肖特基二极管在信息电子电路中早就得到了应用，但直到20世纪80年代以来，由于工艺的发展才得以在电力电子电路中广泛应用。与以PIU 结为基础的电力二极管相比，肖特基二极管的优点在于:反向恢复时间很短( 10 ---40ns，正向

恢复过程中也不会有明显的电压过冲;在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。肖特基二极管的弱点在于:当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V 以下的低压场合;反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

小结：

1、本课程所学习的主要内容。

2、掌握电力二极管的结构和伏安特性。

3、学习电力二极管的主要参数和选择。

4、认识电力二极管的主要类型。

作业布置：

审批：

后记：

周次：时间：课题：晶闸管课时：2课时教学目标：1、了解晶闸管的结构和导通、关断条件。 2、掌握晶闸管的工作原理。 3、掌握主要参数。重点、难点：晶闸管的工作原理粉笔教具：教材教学方法：讲授法作业布置 5分钟时间分配：回顾 10

分钟新授 70分钟小结 15分钟

教学过程：晶闸管第二节任务导入相关知识一、结构外形有螺栓型和平板型两种封装 A 引出阳极、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，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

迅速在低发射极电流下而当发射极电流建立起来之后，是很小的，晶体管的特性是：

增大。

I，+阻断状态：很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。=021G注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致+趋近于1开通（门极触发）：的话，流21II实际由外电路决定。（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。过晶闸管的电流AA：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。

ut过高。/d阳极电压上升率d

结温较高。

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，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。

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。

二．晶闸管的特性

1. 静态特性

总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下：

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。

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。

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。

晶闸管的伏安特性

第I象限的是正向特性

象限的是反向特性III第

I

正导GGRRRSbDRDS雪击穿

III晶闸管的伏安特性>>GG2G1-I A

1) 正向特性

I=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压G U，则漏电流急剧增大，器件开通。超过临界极限即正向转折电压bo随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。

导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。

晶闸管本身的压降很小，在1V左右。

I以下，则晶闸管又导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值H I

称为维持电流。回到正向阻断状态。H

2) 反向特性

晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。

晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。

当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。

动态特性2.

1009010dAR

晶闸管的开通和关断过程波RRgrr

1) 开通过程t：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%延迟时间的时间。d t

90%10%上升到稳态值的所需的时间。上升时间：阳极电流从r t开通时间以上两者之和，gt ttt

（1-6）=+ rgtd普通晶闸管延迟时为~s，上升时间为~3s。

晶闸管的开通和关断过程波形

关断过程2)

t反向阻断恢复时间：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间rr t正向阻断恢

复时间：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间gr在正向阻断恢复时间内如果

重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。使晶闸管充分恢复其对正向电压的应对

晶闸管施加足够长时间的反向电压，实际应用中，阻断能力，电路才能可靠工作。tttttt普

通晶闸管的关断时间约几百微秒。之和，即关断时间=： , 与+grqrrgrrrq三、晶闸管的主要参

数I和规定的冷却状C40°——晶闸管在环境温度为 1. 电压定额1) 通态平均电流T(AV)。

标称其最大工频正弦半波电流的平均值态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的额定电

流的参数。I——使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安， : 维持电流2)

H I越小。与结温有关。结温越高，则H I能维持导通所需的最——晶闸管刚从断态转入通态并移

除触发信号后，擎住电流3) L II 2~4约为倍。小电流对同一晶闸管来说，通常的HL I——

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4) 浪涌电流TSM

正向过载电流。III浪涌4) 3) 擎住电流通态平均电流1) 2) 维持电流 2. 电流定

额LT(AV)H I电流TSM ttut在/d 外，还有：(1) 断态电压临界上升率d3. 动态参数除开通时

间和关断时间qgt结会有充电电流J阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于

一个电容的2结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上。此电流流经J流过，被称为位

移电流3。升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通ti/dd(2) 通态电流临界上

升率如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从

而造成局部过热而使晶闸管损坏

小结：本节主要了解电力电子技术的基本元件之一晶闸管的结构、工作原理、伏安特性能和晶闸

管的主要参数，要求学生完全掌握以便为后续的知识做准备。

作业布置：

审批：

后记：

周次：时间：双向晶闸管及其他派生晶闸管课题：第三节

门极关断晶闸管第二章第一节 2课时课时： 1、了解双向晶闸管及其他派生晶闸管

的简单原理教学目标： GTO的基本结构和工作原理 2、了解的特性和主要参数GTO 3、掌握的工作原理和特性重点、难点：GTO 教具：教材教学方法：讲授法 5分钟小结 15

分钟作业布置 70时间分配：回顾 10分钟新授分钟

教学过程：双向晶闸管及其派生晶闸管第三节

任务导入相关知识AA

I PPNP A1VN I N11c21II G G PPG c122VNPN2N E S2A IE KG KK

晶闸管的双晶体管模型及其工作原理b)a)双晶体管模型a) 工作原理 b)

）包括所有专为快速应用而设计的晶闸FST——ThyristorSwitching Fast 快速晶闸管（1.

tu/d管，有快速晶闸管和高频晶闸管。管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及d ti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，高频和d/d由于工作频率左右。晶闸管高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。10s 较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。 Bidirectional triode thyristor）双向晶闸管（Triode AC Switch——TRIAC或2. RCT）3. 逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor——）LTT4. 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——

GTO第二章第一节的结构和工作原理1. GTO四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普 PNPN结构：与普通晶闸管的相同点：是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极GTO通晶闸管的不同点：元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。GTO元，这些GTO的小工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度由上述分析我们可以得到以下结论：GTO II和减小，使较浅。GTO关断过程：强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Kb2IIIIII的减小使减小，又进一步减小V的基极电流。当减小，的减小又使和和Kc2c1AAc22+<1时，器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO 比普通晶闸管开通过程快，承受21it能力强。/d d tt 2. GTO的动态特性开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间和上升时间。dr t，使等关断过程：与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子——储存时间s效晶体管退出饱和。等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小——下降时间t。f

tttt要长。门极负脉冲电流幅值小得多，而比残存载流子复合——尾部时间t。通常比stfst

tt越短。门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间。

的主要参数3. GTO．

I最大可关断阳极电流ATO术语用法：

电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称为Power BJT。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。

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。

小结：本节主要讲述了GTO的结构和工作原理，工作原理和普通晶闸管做比较让学生更好的掌握GTO 的工作原理，在此基础上学习GTO的特性和主要参数。

作业布置：

审批：

后记：