电力电子技术教案讲稿(龙志文版)

辽宁冶金职业技术学院教案课程名称：电力电子技术任课教师：开课系部：自控系授课班级：开课教研室：自控教研室开课学期：20xx～20xx学年度第一学期第1页辽宁冶金职业技术学院教案课题名称绪论、§1.1电力电子器件概述、§1.2电力二极管课次第（1）次课课时2课型理论（√）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（）教学目标了解本课程的基本内容及本课程在专业课中的作用；了解电力电子技术的发展、应用和分类。了解电力二极管的工作原理、基本特性和主要参数；了解晶闸管的结构，掌握晶闸管的导通条件、关断条件及门极的作用；重点、难点及解决方法重点：明确本课程在专业课学习中的作用和地位；晶闸管的工作原理、工作特性难点：晶闸管的双晶体管理论教学基本内容与教学设计一、绪论1、本课程在专业课学习中的作用和地位2、电力电子技术的概念3、电力电子技术的发展史4、电力电子技术的应用二、电力电子器件概述1、电力电子器件2、电力电子器件的分类三、电力二极管1、工作原理；2、基本特性；3、主要参数四、晶闸管1、晶闸管的结构；2、工作原理教学方法讲授法教学手段课外学习安排复习电子技术课程中的二极管、三极管内容；预习电力二极管参考资料电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08学习效果评测课外学习指导安排教学后记第2页辽宁冶金职业技术学院讲稿教学内容备注一、绪论1、本课程在专业课学习中的作用和地位供电→变流→系统专业基础课：电路原理、电子技术、电机拖动、变流、自控原理、PLC等专业课：电力传动控制系统、供电、DCS、检测技术2、电力电子技术的概念电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。就是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。包括电压、电流、频率、波形和相数的变换。1）整流器：把交流电压变为固定的或可调的直流电压。(ACDC)2）逆变器：把固定直流电压变为固定的或可调的交流电压。(DCAC)3）斩波器：把固定直流电压变为可调直流电压。(DCDC)4）交流调压器：把固定交流电压变为可调的交流电压。(ACAC)5）变频器：把固定的交流频率变为可调的交流频率。3、电力电子技术的发展1）晶闸管：2）全控型器件：门极可关断晶闸管（GTO）；电力双极型晶体管（BJT、GTR）；电力场效应晶体管（电力MOSFET）3）复合型器件：绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）；MOS控制晶闸管（MCT）；集成门极换流晶闸管（IGCT）；4）功率集成电路（PIC）4、电力电子技术的应用1）工业应用：如调速、直流电源、中高频感应加热电源等；2）交通运输二、电力电子器件概述1、电力电子器件电功率的大小是其最主要的参数一般工作在开关状态由信息电子电路来控制自身的功率损耗较大，一般要考虑器件的散热2、电力电子器件的分类按照电力电子器件控制电路信号的程度分：不可控型器件：电力二极管半控型器件：晶闸管全控型器件（自关断器件）：按照控制信号的性质分：电流驱动型：GTR、GTO电压驱动型：电力MOSFET、IGBT按照器件内部载流子参与导电的情况分为：单极型器件：电力MOSFET、静电感应晶体管（SIT）双极型器件：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR、静电感应晶闸管（SITH）复合型（混合型）器件：IGBT、MCT组织上课（2分钟）理论教学（43分钟）第3页辽宁冶金职业技术学院讲稿教学内容备注三、电力二极管1、工作原理：与普通二极管相同2、基本特性：静态特性和动态特性3、主要参数：正向平均电流IF（AV）、正向压降UF、反向重复峰值电压URRM等四、晶闸管1、晶闸管的结构：四层三端半导体器件晶闸管是一种大功率的四层三端半导体器件。四层：由P、N、P、N四层半导体组成，依次构成三个PN结。三端：有三个接线端子（电极），即阳极A、阴极K、门极G其内部结构和符号如图所示2、晶闸管的外形常用晶闸管的外形有螺栓式和平板式两种，其优缺点如下：螺栓式：安装、更换方便，但散热效果差。平板式：散热效果好，但安装、更换比较麻烦。3、基本特性：静态特性：晶闸管导通条件：应同时具备正向阳极电压和正向门极电压。晶闸管关断条件：阳极电流小于管子的维持电流。具体实现方法：①阳极电压减小到零或加反向电压。②增大回路负载电阻。晶闸管导通以后门极失去作用。复习相关知识（5分钟）理论教学（40分钟）ppnn1122AKG晶闸管的内部结构KGA符号第4页辽宁冶金职业技术学院教案课题名称§1.3晶闸管课次第（2）次课课时2课型理论（√）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（）教学目标掌握晶闸管的工作特性和主要参数重点、难点及解决方法重点：晶闸管的工作原理、工作特性和主要参数教学基本内容与教学设计晶闸管的伏安特性晶闸管的主要参数额定电压UTn额定电流IT(AV)门极触发电流IGT和门极触发电压UGT通态平均电压UT(AV)维持电流IH与掣住电流IL（平均值、有效值、波形系数的计算）晶闸管的型号教学方法讲授法教学手段实物课外学习安排作业3道题参考资料电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08学习效果评测主要内容下次课以提问方式进行复习，要求通过作业掌握课外学习指导安排教学后记第5页辽宁冶金职业技术学院讲稿教学内容备注1、晶闸管的结构：四层三端半导体器件2、晶闸管的外形3、基本特性：晶闸管的伏安特性R0UORRMUHIaiauB2UB1UDRMUB0U0G0G2G1III正向特性反向特性图中：UB0——正向转折电压UDSM——正向阻断不重复峰值电压UDRM——正向阻断重复峰值电压；等于90%UDSMUR0——反向击穿电压URSM——反向不重复峰值电压URRM——反向重复峰值电压；等于90%URSM动态特性：开通过程关断过程4、主要参数电压定额、电流定额、动态参数；（平均值、有效值、波形系数的计算）1）晶闸管的额定电压UTn晶闸管的额定电压UTn是取UDRM和URRM中较小的一个。选择晶闸管的额定电压时应考虑安全余量（2~3倍），即选实际工作时最大电压的2~3倍。2）晶闸管的额定电流IT(AV)晶闸管的额定电流用一定条件下的最大通态平均电流来标定。平均值波形在一个周期内的平均值组织上课，点名（2分钟）复习（5分钟）理论教学（33分钟）m0mI)(sinI21ttdId第6页辽宁冶金职业技术学院讲稿教学内容备注有效值，即为“方均根”波形系数：有效值与平均值之比为波形系数。注意：Id、IdT、IT(AV)及I、IT、ITn的区别Id：负载电流平均值I：负载电流有效值IdT：晶闸管平均电流IT：晶闸管有效电流IT(AV)：晶闸管的额定电流ITn：晶闸管的额定电流有效值（举例）3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT在室温下，晶闸管施加6V正相阳极电压时，使元件完全开通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流，对应于门极触发电流时的门极（触发）电压，称为门极触发电压。4）通态平均电压UT(AV)晶闸管通以额定电流时，阳极和阴极间电压降的平均值，称为通态平均电压（管压降）。5）维持电流IH与掣住电流IL维持电流IH：使晶闸管维持通态所必须的最小阳极电流。掣住电流IL：晶闸管从断态转入通态，并且移除触发信号后能维持通态所必须的最小电流。一般IL=(2~4)IH。5、型号理论教学（50分钟）2I)()sin(I21m02mtdtI57.1dfIIkK字母数字-数字字母通态平均电压组别额定电压等级（乘100即为额定电压）额定电流P：普通型；K：快速型；S：双向型；N：逆导型；G：可关断型表示闸流特性第7页辽宁冶金职业技术学院教案课题名称§1.4全控型电力电子器件课次第（3）次课课时2课型理论（√）；实验（）；实习（）；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（）教学目标认识典型全控型器件，如GTO、GTR、IGBT等，重点掌握器件的工作特性和主要参数重点、难点及解决方法重点：器件的工作原理、工作特性和主要参数。教学基本内容与教学设计一、门极可关断晶闸管（GTO）1、结构和工作原理2、GTO的动态特性3、GTO的主要参数二、电力晶体管（GTR）1、结构和工作原理2、GTR的基本特性：静态特性和动态特性3、GTR的主要参数三、IGBT1、IGBT的结构和工作原理2、IGBT的基本特性：静态特性和动态特性3、IGBT的主要参数4、IGBT的锁定效应教学方法讲授法教学手段课外学习安排自学典型全控型器件的相关内容参考资料电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08学习效果评测课外学习指导安排教学后记第8页辽宁冶金职业技术学院讲稿教学内容备注一、门极可关断晶闸管（GTO）GTO是一种具有自关断能力的闸流特性功率半导体器件。既具有普通晶闸管的耐压高、电流大的优点，又具有GTR的一些优点，如具有自关断能力、频率较高、使用方便等。主要应用在大功率直流斩波调速、变频调速、逆变电源等领域。1．GTO的结构及工作原理GTO的结构与普通晶闸管相似，也是PNPN四层三端半导体器件，三端A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。与普通晶闸管不同的是，可以从门极抽出电流而使其关断。GTO的触发导通原理与普通晶闸管相似，当阳极加正向阳极电压、门极加触发信号后可使GTO触发导通。因此，通过门极加正触发信号使GTO触发导通，通过门极加负触发信号使GTO关断。2．GTO的主要特性GTO的阳极伏安特性与普通晶闸管相似GTO的动态特性如图所示，由图可以看出，GTO的开通时间ont包括延迟时间dt和上升时间rt，其大小取决于器件特性、门极电流上升率以及门极信号的幅值大小。GTO的关断过程包含三个时间区间，即存储时间st、下降时间ft和尾部时间tt，其中存储时间st和下降时间ft的和定义为关断时间offt。GTO开通和关断的电流波形OtiAOiGttdtrtftsttIA90%IA10%IAt0t1t2t3t4t5t63．GTO的主要参数GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同，不同的主要参数叙述如下：（1）最大可关断阳极电流ATOI即管子的铭牌电流，在实际应用中，它受如下因素的影响：门极关断负电流波形、阳极电压上升率、工作频率及电路参数的变化等。（2）电流关断增益off为最大可关断阳极电流ATOI与门极最大负电流GMI之比。off表示GTO的关断能力，off值越大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。组织上课，点名（2分钟）GTO（30分钟）内容主要以自学为主GTO的符号KGA第9页辽宁冶金职业技术学院讲稿教学内容备注二、电力晶体管（GTR）GTR是一种双极型大功率晶体管，因此也称为功率晶体管或双极型晶体管（BJT）。具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好等优点；因此广泛应用在交直流调速、不间断电源、中频电源以及家用电器等中小容量的变流装置中。在中小功率应用方面，是取代晶闸管的自关断器件之一。1、结构和工作原理常用的电力晶体管有单管、达林顿管和达林顿晶体管模块三大系列。1）单管GTR：结构有PNP和NPN两种。要求有足够大的容量（大电流、高电压）、适当的增益、较高的开关速度和较低的功率损耗等，因此在GTR的制造过程中采取了特殊的措施以保证功率应用的需要，如扩大结片的面积、采用特殊形状的管芯图形、精细结构等制造工艺。2）达林顿结构的GTR：解决单管GTR的电流增益较低的问题。达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管决定。与单管GTR相比，达林顿GTR提高了电流增益，但饱和压降增加，且开关时间增加。实用达林顿电路是将达林顿结构的GTR、稳定电阻R1、R2、加速二极管VD1和续流二极管VD2等制作在一起。3）GTR模块：作为大功率开关应用最多的还是GTR模块。为了改善器件的开关过程和并联使用方便，中间级晶体管的基极均有引线引出。2．GTR的主要特性GTR的主要特性可分为静态特性和动态特性。静态特性中主要分析典型的双极型晶体管集电极输出特性，即集电极伏安特性，分为四个区域：截止区、放大区