電力電子技術(shù)教案

1、-作者xxxx-日期xxxx電力電子技術(shù)教案【精品文檔】第 1、2 課時(shí)課題:電力電子技術(shù)緒論教學(xué)目的和要求: 掌握電力電子技術(shù)等概念，了解電力電子技術(shù)的發(fā)展史以及電力電子技術(shù)的應(yīng)用。重點(diǎn)與難點(diǎn):掌握電力電子技術(shù)等相關(guān)概念教學(xué)方法: 圖片展示，應(yīng)用介紹，結(jié)論分析。預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù): 復(fù)習(xí)前期學(xué)過(guò)的電工技術(shù)基礎(chǔ)等課程的相關(guān)知識(shí)。1 什么是電力電子技術(shù) 1.1 電力電子與信息電子信息電子技術(shù)信息處理電力電子技術(shù)電力變換電子技術(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)。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)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半

2、導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可小到數(shù)W甚至1W以下。1.2 兩大分支· 電力電子器件制造技術(shù)電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。· 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(lèi)：交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流輸出輸入直流交流交流整流交流電力控制、變頻、變相直流直流斬波逆變1.3 與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系電力電子學(xué)名稱60年代出現(xiàn)。· 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

3、分支。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)。二者同根同源。· 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(chē)牽引、交直流電力傳動(dòng)、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。· 與控制理論（自動(dòng)化技術(shù)）的關(guān)系控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中。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

4、是這種接口的有力紐帶。電力電子裝置是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子器件的發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用，因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。四個(gè)階段1、 史前期（1957年以前）：使用水銀整流器（汞整流器），其性能和晶閘管類(lèi)似。2、 晶閘管時(shí)代（195870年代）3、 全控型器件時(shí)代（70年代后期）4、 復(fù)合器件時(shí)代（80年代后期）3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用1) 一般工業(yè) 近年來(lái)電力電子變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，使交流電機(jī)的調(diào)速性能可與直流電機(jī)媲美，交流調(diào)速技術(shù)大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)地位。幾百W到數(shù)千kW的變頻調(diào)速裝置，軟起動(dòng)裝置等。2)

5、 交通運(yùn)輸3) 電力系統(tǒng) 4) 電子裝置用電源 5) 家用電器 第 3、4 課時(shí)課題:電力電子器件概述與電力二極管教學(xué)目的和要求: 概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類(lèi)。掌握電力二極管的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問(wèn)題。重點(diǎn)與難點(diǎn):掌握電力二極管的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用。教學(xué)方法:借助PPT演示、板書(shū)等多種形式啟發(fā)式教學(xué)預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù): 復(fù)習(xí)前期學(xué)過(guò)的電工技術(shù)基礎(chǔ)等課程的相關(guān)知識(shí)。1 電力電子器件概述1.1 電力電子器件的概念和特征1）概念:電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。2

6、）分類(lèi): 電真空器件 (汞弧整流器、閘流管) 半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料硅）3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。電力電子器件的損耗： 通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗、開(kāi)關(guān)損耗（開(kāi)通損耗、判斷損耗）1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路組成。1.3 電力電子器件的分類(lèi)1）按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類(lèi)：半控型器件（Thyristor）

7、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。全控型器件（IGBT,MOSFET) 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。不可控器件(Power Diode) 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。2）按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類(lèi)：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。電壓驅(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。2 不可控器件電力二極管2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理· 基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。· 由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的

8、。· 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。PN結(jié)的狀態(tài)狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)：雪崩擊穿、齊納擊穿，均可能導(dǎo)致熱擊穿PN結(jié)的電容效應(yīng)：PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。2.2 電力二極管的基本特性主要指其伏安特性· 門(mén)檻電壓UTO，正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。· 與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其

9、正向電壓降UF 。· 承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。2) 動(dòng)態(tài)特性 二極管的電壓-電流特性隨時(shí)間變化。由于結(jié)電容的存在。1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流IF(AV)2）正向壓降UF3）反向重復(fù)峰值電壓URRM4）反向恢復(fù)時(shí)間trr5）最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM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。TJM通常在125175°C范圍之內(nèi)。6) 浪涌電流IFSM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。 2.4 電力二極管的主要類(lèi)型1) 普通二極管（General Purpo

10、se Diode）2) 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD）3. 肖特基二極管第 5、6 課時(shí)課題:半控器件晶閘管教學(xué)目的和要求:掌握晶閘管的工作原理、導(dǎo)通及關(guān)斷條件特性和主要參數(shù)；了解晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)；了解晶閘管的派生器件。重點(diǎn)與難點(diǎn):教學(xué)重點(diǎn)：掌握晶閘管的工作原理、導(dǎo)通條件、特性及主要參數(shù)。教學(xué)難點(diǎn)：晶閘管的工作原理、導(dǎo)通條件、特性及主要參數(shù)。教學(xué)方法:借助PPT演示、板書(shū)等多種形式啟發(fā)式教學(xué)預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù):復(fù)習(xí)上節(jié)課學(xué)的電力二極管的相關(guān)知識(shí),對(duì)比理解掌握本節(jié)課程。內(nèi)容導(dǎo)入:1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)

11、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)始被全控型器件取代。· 外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)接端。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。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：1. 承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。2. 承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。3. 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用。4. 要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。· 其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)

12、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、光觸發(fā)· 只有門(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。2. 晶閘管的基本特性1） 靜態(tài)特性（1）正向特性· IG=0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Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。· 隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。· 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。（2）反向特性· 反向特性類(lèi)似二極管的反向特性。· 反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。· 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可

13、能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。2） 動(dòng)態(tài)特性3. 晶閘管的主要參數(shù)1）電壓定額· 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門(mén)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。· 反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門(mén)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。· 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。2）電流定額通態(tài)平均電流 IT(AV）在環(huán)境溫度為40°C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電

14、流 IL 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。浪涌電流ITSM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。3）動(dòng)態(tài)參數(shù)除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：l 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 l 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。4. 晶閘管的派生器件1）快速晶閘管 有快速晶閘管和高頻

15、晶閘管。開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10ms左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。2）雙向晶閘管可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門(mén)極G。在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。3) 逆導(dǎo)晶閘管將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。4) 光控晶閘管又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣

16、，且可避免電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合。第 7、8 課時(shí)課題：典型全控型電力電子器件教學(xué)目的和要求:掌握門(mén)極可關(guān)斷晶閘管的工作原理及特性、電力晶體管的工作原理，了解電力場(chǎng)控晶體管的特性與參數(shù)及安全工作區(qū)。掌握電力場(chǎng)控晶體管的工作原理。掌握絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點(diǎn)。了解靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶閘管的工作原理。重點(diǎn)與難點(diǎn):掌握電力晶體管、力場(chǎng)控晶體管、絕緣柵雙極型晶體管的工作原理、參數(shù)特點(diǎn)。教學(xué)方法:借助PPT演示、板書(shū)等多種形式啟發(fā)式教學(xué)預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù):復(fù)習(xí)上節(jié)課學(xué)的半控型器件晶閘管的相關(guān)知識(shí),對(duì)比理解掌握本節(jié)課程。內(nèi)容導(dǎo)入:門(mén)極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。全控型

17、電力電子器件的典型代表門(mén)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。一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件。可以通過(guò)在門(mén)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，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通晶閘管的相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來(lái)分析。 · 由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益a1和a2 。a1

18、+a2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。 GTO的關(guān)斷過(guò)程與普通晶閘管不同。關(guān)斷時(shí)，給門(mén)極加負(fù)脈沖，產(chǎn)生門(mén)極電流-IG，此電流使得V1管的集電極電流ICl被分流，V2管的基極電流IB2減小，從而使IC2和IK減小，IC2的減小進(jìn)一步引起IA和IC1減小，又進(jìn)一步使V2的基極電流減小，形成內(nèi)部強(qiáng)烈的正反饋，最終導(dǎo)致GTO陽(yáng)極電流減小到維持電流以下,GTO由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。結(jié)論：Ø GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。Ø GTO關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。Ø 多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。2）GTO的動(dòng)

19、態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同3) GTO的主要參數(shù)（1）開(kāi)通時(shí)間ton （2） 關(guān)斷時(shí)間toff（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（4）電流關(guān)斷增益boff最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。boff一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 二、 電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。· 在

20、應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。· 集電極電流ic與基極電流ib之比為 b GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力 。· 當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic=b ib +Iceo · 單管GTR的b 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。2）GTR的基本特性(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)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。(2)  動(dòng)態(tài)特性3）GTR

21、的主要參數(shù)1)電流放大倍數(shù)集電極電流與基極電流之比2)集電極最大允許電流ICM 通常規(guī)定為下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic 。3)集電極最大耗散功率PCM 在最高集電結(jié)溫度下允許的耗散功率,等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。4) 反向擊穿電壓 集電極與基極之間的反向擊穿電壓 集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓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)。5) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過(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)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立

22、即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。安全工作區(qū)：最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。三、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管  特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流。驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，只適用于小功率的電力電子裝置。1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理· 電力MOSFET的種類(lèi)按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。 耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。l 電力MOSFET的工作原理Ø 截止：

23、漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。-P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。Ø 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）電力MOSFET的基本特性(1) 靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。(2)  動(dòng)態(tài)特性MOSFET的開(kāi)關(guān)速度：MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。不存在少子儲(chǔ)存

24、效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開(kāi)關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。3) 電力MOSFET的主要參數(shù) (1)  漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM(3) 柵源電壓UGS(4) 極間電容四、絕緣柵雙極晶體管 GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速

25、度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理  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uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)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)壓降減小。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) IGBT的基本特性(1) IGBT的靜態(tài)特性(2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性3) IGBT的主要參數(shù)(1)最大集射極間電壓UCES(2)最大集電

26、極電流(3)最大集電極功耗PCMIGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類(lèi)似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。 五、其他新型電力電子器件1 MOS控制晶閘管MCT· 承受極高di/dt和du/dt，快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗小。· 高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成。每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)通的M

27、OSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。2 靜電感應(yīng)晶體管SITØ 多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合。Ø 在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。· 缺點(diǎn)：柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)

28、壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類(lèi)似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。3 集成門(mén)極換流晶閘管IGCT4 功率模塊與功率集成電路· 20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路.發(fā)展現(xiàn)狀：· 功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的處理。· 以前功率集成電路的開(kāi)發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合。·

29、; 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。第 9、10 課時(shí)課題：電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路和電力電子器件器件的保護(hù)教學(xué)目的和要求:掌握晶閘管、全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路和電力電子器件器件的保護(hù)。重點(diǎn)與難點(diǎn):掌握晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路、了解全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路和和電力電子器件器件的保護(hù)。教學(xué)方法:借助PPT演示、板書(shū)等多種形式啟發(fā)式教學(xué)預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù):復(fù)習(xí)半控型器件晶閘管與全控型器件的工作原理，預(yù)習(xí)本節(jié)課程。問(wèn)題導(dǎo)入：驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗。對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護(hù)措施也往往設(shè)在

30、驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路：· 按控制目標(biāo)的要求施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。· 對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。· 對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。 光隔離一般采用光耦合器。 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器。分類(lèi)：· 按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型。· 驅(qū)動(dòng)電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢(shì)是采用專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)電路。· 雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。&#

31、183; 為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。一、晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：· 脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。· 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。· 不超過(guò)門(mén)極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。· 有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。二、典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路1) 電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路(1) GTOGTO的開(kāi)通控制與普通晶閘管相似。GTO關(guān)斷控制需施加負(fù)門(mén)極電流。GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路

32、和門(mén)極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類(lèi)型。直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿。· 目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低。(2) GTR開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。2) 電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。使MOSFET開(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1015V，使IGBT開(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15 20V

33、。關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取-5 -15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。(1) 電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分(2) IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專(zhuān)用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。三、電力電子器件器件的保護(hù)1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)電力電子裝置可能的過(guò)電壓外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外因。操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起；雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起內(nèi)因過(guò)電壓：主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程1）換相過(guò)電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在

34、器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。2）關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。過(guò)電壓保護(hù)措施2 過(guò)電流保護(hù)· 過(guò)電流過(guò)載和短路兩種情況· 保護(hù)措施· 同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性。· 電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。快熔對(duì)器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種。全保護(hù)：過(guò)載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場(chǎng)合。短路保護(hù)：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。對(duì)重要的且易發(fā)生短路的晶

35、閘管設(shè)備，或全控型器件，需采用電子電路進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快 。3 緩沖電路緩沖電路(Snubber Circuit) ：又稱吸收電路，抑制器件的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt、過(guò)電流和di/dt，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸收器件的關(guān)斷過(guò)電壓和換相過(guò)電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。開(kāi)通緩沖電路（di/dt抑制電路）抑制器件開(kāi)通時(shí)的電流過(guò)沖和di/dt，減小器件的開(kāi)通損耗。復(fù)合緩沖電路關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路的結(jié)合。按能量的去向分類(lèi)法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無(wú)損吸收電路）。通常將緩沖電路專(zhuān)指關(guān)斷緩沖電路，將開(kāi)通

36、緩沖電路叫做di/dt抑制電路。第 11、12 課時(shí)課題：電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用教學(xué)目的和要求:掌握電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)原理與使用注意事項(xiàng)。重點(diǎn)與難點(diǎn):掌握晶閘管的串聯(lián)和并聯(lián)原理與使用注意事項(xiàng)。教學(xué)方法:借助PPT演示、板書(shū)等多種形式啟發(fā)式教學(xué)預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù):復(fù)習(xí)半控型器件晶閘管與全控型器件的工作原理，預(yù)習(xí)本節(jié)課程。問(wèn)題導(dǎo)入：盡管電力電子器件的電流容量和電壓等級(jí)在不斷提高，但仍然不能滿足大容量整機(jī)應(yīng)用的要求，需要串聯(lián)使用以提高它們的電壓等級(jí)或并聯(lián)使用以提高它們的電流容量。一、晶閘管的串并聯(lián)1. 晶閘管的串聯(lián)連接（1）靜態(tài)均壓 由于串聯(lián)各器件的正向(或反向)阻斷特性不同，但在電路中卻流過(guò)相

37、等的漏電流，因而各器件所承受的電壓是不同的。給每個(gè)晶閘管并聯(lián)均壓電阻Rj 。如果均壓電阻Rj大大小于晶閘管的漏電阻，則電壓分配主要決定于Rj。但如Rj過(guò)小，則會(huì)造成Rj上損耗增大，因此要綜合考慮。（2） 動(dòng)態(tài)均壓晶閘管在開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中，由于各器件的開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)不一致，而造成的動(dòng)態(tài)不均壓?jiǎn)栴}。晶閘管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中瞬時(shí)電壓的分配決定于各晶閘管的結(jié)電容導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間等差別，為了使開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓分配均勻，減小電容C對(duì)晶閘管放電造成過(guò)大的di/dt，還應(yīng)在電容C支路中串聯(lián)電阻R。晶閘管串聯(lián)連接時(shí)l 應(yīng)盡可能選擇參數(shù)比較接近的晶閘管串聯(lián)，串聯(lián)的各晶閘管開(kāi)通時(shí)間之差要小；l 要求門(mén)極觸發(fā)

38、脈沖前沿要陡，觸發(fā)脈沖的電流要大，使晶閘管的開(kāi)通時(shí)間短，趨于一致。 l 器件串聯(lián)后，必須降低電壓的額定值使用，串聯(lián)后選擇晶閘管的額定電壓為2. 晶閘管的并聯(lián)連接1 串聯(lián)電阻法由于串聯(lián)電阻增大損耗，對(duì)電力電子器件而言無(wú)實(shí)用價(jià)值。2 串聯(lián)電抗法 用一個(gè)均流電抗器(鐵心上帶有兩個(gè)相同的線圈)接在兩個(gè)并聯(lián)的晶閘管電路中。電流不等時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)形成環(huán)流,使電流小的支路電流增大,電流大的器件支路電流減小,達(dá)到均流目的。l 器件并聯(lián)后，必須降低電流的額定值使用，并聯(lián)后選擇晶閘管的額定電流為l 晶閘管并聯(lián)連接時(shí)1 應(yīng)盡可能選擇參數(shù)比較接近的晶閘管進(jìn)行并聯(lián)；2 觸發(fā)脈沖的前沿要陡，觸發(fā)脈沖的電流要大，使并聯(lián)的各晶

39、閘管開(kāi)通時(shí)間之差要小。3 在安裝時(shí)使各并聯(lián)支路銅線長(zhǎng)短相同，使各支路的分布電感和導(dǎo)線電阻相近。布線盡可能對(duì)稱,以減少磁場(chǎng)的影響。 在晶閘管裝置需要同時(shí)采取串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，通常采用先串后并的方法。二、GTO的串并聯(lián) 1 GTO的串聯(lián)連接n GTO串聯(lián)時(shí)，采用與晶閘管相似的方法解決均壓?jiǎn)栴}。GTO的動(dòng)態(tài)不均壓的過(guò)電壓產(chǎn)生于器件開(kāi)通瞬間電壓的后沿和關(guān)斷瞬間電壓的前沿，精心設(shè)計(jì)門(mén)極控制電路，采用強(qiáng)觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)，以消除動(dòng)態(tài)不均壓的影響。2. GTO的并聯(lián)連接 l 一個(gè)GTO內(nèi)部就是由幾百個(gè)小GTO單元并聯(lián)工作的。也可以采用串聯(lián)電阻或電抗器等均流措施。 l GTO并聯(lián)要解決的是在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的

40、動(dòng)態(tài)不均流問(wèn)題。隨結(jié)溫的上升，開(kāi)通時(shí)間將縮短，而關(guān)斷時(shí)間卻有延長(zhǎng)的趨勢(shì)，這就更加大了并聯(lián)工作的GTO1與GTO2之間的開(kāi)關(guān)時(shí)間差異，從而導(dǎo)致GTO的開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步增大，溫度再增高，這樣繼續(xù)下去，惡性循環(huán)的結(jié)果就會(huì)燒壞器件。l 除了嚴(yán)格挑選并聯(lián)工作的GTO通態(tài)電壓相等外，精心設(shè)計(jì)門(mén)極控制電路，采用強(qiáng)觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)，力爭(zhēng)做到并聯(lián)的GTO同時(shí)開(kāi)通和同時(shí)關(guān)斷。三、雙極型功率晶體管的串并聯(lián)1 BJT的串聯(lián)連接由于BJT對(duì)過(guò)電壓敏感，通常BJT是不進(jìn)行串聯(lián)運(yùn)行的。2 BJT的并聯(lián)連接大電流BJT管芯中采用了若干小電流的BJT并聯(lián)，因此用并聯(lián)來(lái)增大BJT電流容量是比較常用的方法。n 當(dāng)負(fù)載電流比較小時(shí)，并聯(lián)的

41、兩個(gè)管子的集電極電流分配是極不均勻的，但是隨著負(fù)載電流的增大，電流分配將大為改善。n 使用同一個(gè)廠家同一型號(hào)的管子，多管并聯(lián)時(shí)可以不采用負(fù)載均衡措施。n 開(kāi)關(guān)過(guò)程中，BJT的負(fù)載分配是不均勻的，必須設(shè)計(jì)一種合適的電路，使它能夠在動(dòng)態(tài)下自動(dòng)保持并聯(lián)的管子的均衡負(fù)載能力。四、功率MOSFET的串并聯(lián)1 功率MOSFET的串聯(lián)連接一般來(lái)說(shuō)，因功率MOSFET經(jīng)常工作在高頻開(kāi)關(guān)電路中，常用的電阻與電容串并聯(lián)在解決動(dòng)態(tài)均壓時(shí)，由于分布參數(shù)的影響，難以做到十分滿意，所以除非必要，通常不將它們串聯(lián)工作。2. 功率MOSFET的并聯(lián)連接由于功率MOSFET的導(dǎo)通電阻是單極載流子承載的，具有正的電阻溫度系數(shù)。當(dāng)

42、電流意外增大時(shí)，附加發(fā)熱使導(dǎo)通電阻自行增大，對(duì)電流的正增量有抑制作用，所以功率MOSFET對(duì)電流有一定的自限流能力，比較適合于并聯(lián)使用而不必采用并聯(lián)均流措施。五、IGBT的串并聯(lián)n 與MOSFET一樣，通常IGBT不串聯(lián)使用。2. IGBT的并聯(lián)連接(1) 并聯(lián)時(shí)的注意事項(xiàng) 應(yīng)考慮柵極電路、線路布線、電流不平衡和器件之間的溫度不平衡等問(wèn)題。 (2) 并聯(lián)時(shí)的接線方法在各模塊的柵極上分別接上各模塊推薦值的柵極電阻RG。柵極到各模塊驅(qū)動(dòng)級(jí)的配線長(zhǎng)短及引線電感要相等，否則會(huì)引起各模塊電流的分配不均勻，并會(huì)造成工作過(guò)程中開(kāi)關(guān)損耗的不均勻。控制回路的接線應(yīng)使用雙芯線或屏蔽線。主電路需采用低電感接線。使接

43、線盡量靠近各模塊的引出端，使用銅排或扁條線，以盡可能降低接線的電感量。第 13、14 課時(shí)課題：?jiǎn)蜗喟氩煽卣麟娐方虒W(xué)目的和要求:（1）晶閘管可控整流電路的類(lèi)型及相關(guān)概念。（2）單相半波可控整流電路帶電阻性負(fù)載和電感性負(fù)載的工作原理及對(duì)應(yīng)波形圖。重點(diǎn)與難點(diǎn):掌握單相半波可控整流電路帶電阻性負(fù)載和電感性負(fù)載的工作原理及對(duì)應(yīng)波形圖。教學(xué)方法:借助PPT演示、板書(shū)等多種形式啟發(fā)式教學(xué)預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù):復(fù)習(xí)半控型器件晶閘管的工作原理，預(yù)習(xí)本節(jié)課程。完成補(bǔ)充的作業(yè)。問(wèn)題導(dǎo)入：整流電路：能夠?qū)⒔涣麟娔苻D(zhuǎn)換為直流電能的電路。整流電路中的主要電力電子器件是半控型的晶閘管，與其對(duì)應(yīng)的主要變換電路是相控整流電路。整流

44、電路的分類(lèi)：Ø 按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。Ø 按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。Ø 按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。Ø 按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。研究整流電路，首先假設(shè)以下：(1) 開(kāi)關(guān)元件是理想的，即開(kāi)關(guān)元件(晶閘管)導(dǎo)通時(shí)，通態(tài)壓降為零，關(guān)斷時(shí)電阻為無(wú)窮大；(2) 變壓器是理想的，即變壓器漏抗為零，繞組的電阻為零、勵(lì)磁電流為零。一、電阻性負(fù)載1. 工作原理在實(shí)際應(yīng)用中，某些負(fù)載基本上是電阻性的，如電阻加熱爐、電解和電鍍等。電阻性負(fù)載的特點(diǎn)是電壓與電流成正比，波形相同并且同相位，電流可以突變

45、。針對(duì)書(shū)中電路圖分析：變壓器T起變換電壓和隔離的作用，在電源電壓正半波，晶閘管承受正向電壓，在t=處觸發(fā)晶閘管，晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通；負(fù)載上的電壓等于變壓器輸出電壓u2。在t=時(shí)刻，電源電壓過(guò)零，晶閘管電流小于維持電流而關(guān)斷，負(fù)載電流為零。在電源電壓負(fù)半波，uAK0，晶閘管承受反向電壓而處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載電流為零，負(fù)載上沒(méi)有輸出電壓，直到電源電壓u2的下一周期，直流輸出電壓ud和負(fù)載電流id的波形相位相同。(1) 觸發(fā)角與導(dǎo)通角觸發(fā)角也稱觸發(fā)延遲角或控制角，是指晶閘管從承受正向電壓開(kāi)始到導(dǎo)通時(shí)止之間的電角度。導(dǎo)通角，是指晶閘管在一周期內(nèi)處于通態(tài)的電角度。(2) 移相與移相范圍移相是指改變觸發(fā)脈沖ug

46、出現(xiàn)的時(shí)刻，即改變控制角的大小。移相范圍是指觸發(fā)脈沖ug的移動(dòng)范圍，它決定了輸出電壓的變化范圍。單相半波可控整流器電阻性負(fù)載時(shí)的移相范圍是0180º。2. 基本數(shù)量關(guān)系(1) 直流輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id(2) 輸出電壓有效值U與輸出電流有效值I(3) 晶閘管電流有效值和變壓器二次側(cè)電流有效值單相半波可控整流器中，負(fù)載、晶閘管和變壓器二次側(cè)流過(guò)相同的電流，故其有效值相等，即：(4) 功率因數(shù)cos整流器功率因數(shù)是變壓器二次側(cè)有功功率與視在功率的比值式中 P 變壓器二次側(cè)有功功率，P=UI=I2R S變壓器二次側(cè)視在功率，S=U2I2 (5) 晶閘管承受的最大正反向電壓U

47、m二 帶阻感負(fù)載的工作情況1. 工作原理電感性負(fù)載通常是電機(jī)的勵(lì)磁線圈和負(fù)載串聯(lián)電抗器等。當(dāng)流過(guò)電感的電流變化時(shí)，電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)對(duì)負(fù)載電流的變化有阻止作用，使得負(fù)載電流不能突變。當(dāng)電流增大時(shí)，電感吸收能量?jī)?chǔ)能，電感的感應(yīng)電勢(shì)阻止電流增大；當(dāng)電流減小時(shí)，電感釋放出能量，感應(yīng)電勢(shì)阻止電流的減小，輸出電壓、電流有相位差。在t=0到期間，晶閘管陽(yáng)極和陰極之間的電壓uAK大于零，但晶閘管門(mén)極沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)，晶閘管處于正向關(guān)斷狀態(tài)，輸出電壓、電流都等于零。在t=時(shí)，門(mén)極有觸發(fā)信號(hào)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載電壓ud= u2。當(dāng)t=時(shí)，交流電壓u2過(guò)零，由于有電感電勢(shì)的存在，晶閘管的電壓uAK仍大

48、于零，晶閘管會(huì)繼續(xù)導(dǎo)通，電感的儲(chǔ)能全部釋放完后，晶閘管在u2反壓作用下而截止。直到下一個(gè)周期的正半周。2. 數(shù)量關(guān)系直流輸出電壓平均值從Ud的波形可以看出，由于電感負(fù)載的存在，電源電壓由正到負(fù)過(guò)零點(diǎn)也不會(huì)關(guān)斷，輸出電壓出現(xiàn)了負(fù)波形，輸出電壓和電流的平均值減??；當(dāng)大電感負(fù)載時(shí)輸出電壓正負(fù)面積趨于相等，輸出電壓平均值趨于零，則id也很小。所以，實(shí)際的大感電路中，常常在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。三、感阻性負(fù)載加續(xù)流二極管1. 工作原理電源電壓正半波u20，晶閘管電壓uAK0。在t=處觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載上有輸出電壓和電流，續(xù)流二極管VDR承受反向電壓而處于斷態(tài)。電源電壓負(fù)半波u20，通過(guò)續(xù)流二極管

49、VDR使晶閘管承受反向電壓而關(guān)斷。電感的感應(yīng)電壓使VDR承受正向電壓導(dǎo)通續(xù)流，負(fù)載兩端的電壓僅為續(xù)流二極管的管壓降。如果電感足夠大，續(xù)流二極管一直導(dǎo)通到下一周期晶閘管導(dǎo)通，使id連續(xù)。 由以上分析可以看出，電感性負(fù)載加續(xù)流二極管后，輸出電壓波形與電阻性負(fù)載波形相同，續(xù)流二極管可以起到提高輸出電壓的作用。在大電感負(fù)載時(shí)負(fù)載電流波形連續(xù)且近似一條直線，流過(guò)晶閘管的電流波形和流過(guò)續(xù)流二極管的電流波形是矩形波。對(duì)于電感性負(fù)載加續(xù)流二極管的單相半波可控整流器移相范圍與單相半波可控整流器電阻性負(fù)載相同為0180º，且有+=180º。2. 基本數(shù)量關(guān)系(1) 輸出電壓平均值Ud與輸出電流

50、平均值I(2) 晶閘管的電流平均值IdT與晶閘管的電流有效值IT (3) 續(xù)流二極管的電流平均值IdDR與續(xù)流二極管的電流有效值IDR(4) 晶閘管和續(xù)流二極管承受的最大正反向電壓均為電源電壓的峰值。 結(jié)論：?jiǎn)蜗喟氩煽卣髌鞯膬?yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)。但整流電壓脈動(dòng)大，每周期脈動(dòng)一次。變壓器二次側(cè)流過(guò)單方向的電流，存在直流磁化、利用率低的問(wèn)題，為使變壓器不飽和，必須增大鐵心截面，這樣就導(dǎo)致設(shè)備容量增大。 第 15、16 課時(shí)課題：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐方虒W(xué)目的和要求:單相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載和帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作原理及對(duì)應(yīng)波形圖。重點(diǎn)與難點(diǎn):掌握單相橋式全控整流

51、電路帶電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載的工作原理及對(duì)應(yīng)波形圖。教學(xué)方法:借助PPT演示、板書(shū)等多種形式啟發(fā)式教學(xué)預(yù)復(fù)習(xí)任務(wù):復(fù)習(xí)單相半波可控整流電路的工作原理，預(yù)習(xí)本節(jié)課程。完成課后作業(yè)。一、電阻性負(fù)載1. 工作原理在電源電壓u2正半波，晶閘管VT1、VT4承受正向電壓。假設(shè)四個(gè)晶閘管的漏電阻相等，則在0區(qū)間由于四個(gè)晶閘管都不導(dǎo)通，uAK1，4=1/2 u2。在t=處觸發(fā)晶閘管VT1、VT4導(dǎo)通，電流沿aVT1RVT4b流通，此時(shí)負(fù)載上輸出電壓ud=u2。電源電壓反向施加到晶閘管VT2、VT3上，處于關(guān)斷狀態(tài)，到t=時(shí)，因電源電壓過(guò)零，晶閘管VT1、VT4陽(yáng)極電流也下降為零而關(guān)斷。 在電源電壓負(fù)半波，晶

52、閘管VT2、VT3承受正向電壓，在+區(qū)間，uAK2，3=1/2 u2，在t=+處觸發(fā)晶閘管VT2、VT3，元件導(dǎo)通，電流沿bVT3RVT2a流通，電源電壓沿正半周期的方向施加到負(fù)載電阻上，負(fù)載上有輸出電壓ud=-u2。此時(shí)電源電壓反向施加到晶閘管VT1、VT4上，使其處于關(guān)斷狀態(tài)。到t=2，電源電壓再次過(guò)零，VT2、VT3陽(yáng)極電流也下降為零而關(guān)斷。 單相橋式整流器電阻性負(fù)載時(shí)的移相范圍是0180º。=0º時(shí)，輸出電壓最高；=180º時(shí)，輸出電壓最小。晶閘管承受最大反向電壓Um是相電壓峰值，晶閘管承受最大正向電壓是Um/2。負(fù)載上正負(fù)兩個(gè)半波內(nèi)均有相同方向的電流流過(guò)

53、，從而使直流輸出電壓、電流的脈動(dòng)程度較前述單相半波得到了改善。變壓器二次繞組在正、負(fù)半周內(nèi)均有大小相等、方向相反的電流流過(guò)，從而改善了變壓器的工作狀態(tài)并提高了變壓器的有效利用率。 2. 基本數(shù)量關(guān)系(1) 輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id(2) 輸出電壓有效值U(3) 輸出電流有效值I與變壓器二次側(cè)電流I2(4) 晶閘管的電流平均值IdT與晶閘管電流有效值IT (5) 功率因數(shù)cos 顯然功率因數(shù)與相關(guān)，=0º時(shí)，cos=1二 帶阻感負(fù)載的工作情況 u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，晶閘管VT1和VT4并不關(guān)斷,至t=+a 時(shí)刻，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(guān)斷，流過(guò)VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過(guò)程稱換相，亦稱換流。 基本數(shù)量關(guān)系(1) 輸出電壓平均值Ud(2) 輸出電流平均值Id和變壓器副邊電流I2 (3) 晶閘管的電流平均值IdT 由于晶閘管輪流導(dǎo)電，所以流過(guò)每個(gè)晶閘管的平均電流只有負(fù)載上平均電流的一半。 (4) 晶閘管的電流有