《电力电子技术》教案

1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2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电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现；1974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都分为器件和应用两大分支；多媒体举例讲解3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；（2）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、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。（3）与控制理论（自动化技术）的关系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。（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一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业；交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海；电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿；电子装置电源：为信息电子装置提供动力；家用电器：“节能灯”、变频空调；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电源技术：电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源；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：4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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。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。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。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。电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。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。·5控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V21.1.3电力电子器件的分类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：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；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；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：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：单极型器件：由一种载流子参与导电的器件；双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件；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AKAKa)IKAPNJb)c)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：正向导通时要流过很大的电流；引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；承受的电流变化率di/dt较大；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IOIFUTOUFU（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6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。b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt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trrtrr=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普通二极管（GeneralPurposeDiode）快恢复二极管（FastRecoveryDiode—FRD）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外形有螺栓型和平板型两种封装，引出阳极A、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。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3工作原理：Ic1=1IA+ICBO1；Ic2=2IK+ICBO2；IK=IA+IG；IA=Ic1+Ic2。多媒体、举例录像8RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)式中1和2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)(121CBO2CBO1G2AIIII晶体管的特性是：在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小，流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。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1+2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：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）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：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。1.3.2晶闸管的基本特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMU