1、电力电子技术教案1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
2、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2变交流
3、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
4、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。3二、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
5、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 t6.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41） 额定正向平均电流 I
6、F 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.快恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短一般在 5 微秒以下)的二极管被称为快恢复二极管(Fast Recovery Diade-FRD)，简
7、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(0.9V 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( Scho
8、ttky 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
9、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：51、 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：6周次：时间：课题：1.2 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：晶闸管的工作原理教具：教材 粉笔教学方法：讲授法时间分配：回顾 10 分钟 新授 70 分钟 小结 15 分钟 作业布置 5 分钟教学过程：第二节 晶闸管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引出阳极
10、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。A AGG K Kb) c)a)AGKK GAP1N1P2N2J1J2J37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
11、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，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 ThyristorLTT）。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
12、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象限的是正向特性第III象限的是反向特性正 向导 通雪 崩击 穿O +UA-UA-IAIAIH IG2 IG1 IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG81) 正向特性IG=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，正向电压超过临界极限即正向转折电压 Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。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。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 IH以下
13、，则晶闸管又回到正向阻断状态。 IH称为维持电流。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。2. 动态特性100%90%10%uAK ttO0 td trtrr tgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形1) 开通过程9延迟时间 td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的 10%的时间。上升时间 tr：阳极电流从 10%上升到稳态值的 90%所需的时间。开通时间 tgt以上两者之和，tgt=td+
14、 tr （1-6）普通晶闸管延迟时为 0.51.5s，上升时间为 0.53s。晶闸管的开通和关断过程波形2) 关断过程反向阻断恢复时间 trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间 tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间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。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。关断时间 tq： trr与 tgr之和，即 tq=trr+tgr , 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。三、晶闸管的主要参数1. 电压定额 1) 通态平均电流
15、 IT(AV) 晶闸管在环境温度为 40C 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。2) 维持电流 IH : 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，与结温有关。结温越高，则 IH 越小。3) 擎住电流 IL 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对同一晶闸管来说，通常 IL 约为 IH 的 24 倍。4) 浪涌电流 ITSM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 。 2. 电流定额1) 通态平均电流 IT(AV) 2) 维持电流 IH 3) 擎住电流
16、 IL 4) 浪涌电流ITSM3. 动态参数除开通时间 tgt 和关断时间 tq 外，还有： (1) 断态电压临界上升率 du/dt 在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 J2 结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经 J3 结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。(2) 通态电流临界上升率 di/dt 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：
