電力電子技術教案

教師備課筆記

(A)

學科：電力電子技術

授課班級：___________________

教師：___________________

編號：___________________

2021年9月一2022年1月

課題項目一電力電子概論課型理論課教時4學時

教學1.能說出電刀電子技術的基本概念。

目標2.能說出電力電子技術的應用范圍。

教學

電力電子技術的應用范圍

重點課前資料查閱、

教學準備PPT課件

難點電力電子變流電路的應用

探究

電力電子基本概念

目標

教學

教學

法

方

模式互動教學啟發(fā)式教學

教學環(huán)節(jié)

教學過程和內(nèi)容師生活動

時間分配

復習提問：

1生活用電可壓是多少？交流電還是直流電？教師：引導學生回顧以

2手機電池充電電壓是多少？交流電還是直流電？前所學知識。

新授5V左右，直流充電學生：回顧重要的知識

1-1概述點。

一、電力電子器件的概念和特征

電力電子器件是指那些直接承擔電能的變換或控

制任務的電子器件。目前是指電力半導體器件。

電力電子器件的特征：

1、電力電子器件是重要的參數(shù)是其承受電壓和

電流的能力。

2、電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。

3、電力電子器件的工作一般要由驅(qū)旬提供強驅(qū)教師：講授、演示任務

動信號來驅(qū)動。

一、電刀電子器件的分類結(jié)果。

1、按電力電子器件能夠被控制電路信號所控制

的程度，可分為以下三種：

學生：認真觀察實驗現(xiàn)

(1)不可控制器件

不能用來控制信號來龍去脈控制其通斷的電力象，仔細傾聽任務要

電子器件。

(2)半控型器件求。

通過控制信號可控制其導通而不能控制其關斷

的電力電子器件。

(3)全控型器件

通過控制信號即可控制其導通又可控制其關斷

的電力電子器件。

2、按驅(qū)動信號的性質(zhì)分以下兩種：

（1）電流驅(qū)動型：是指從控制端注入或者抽出

電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。

（2）電壓驅(qū)動型：是指在控制端施加一定的電

壓信號就可實現(xiàn)導通或者關斷控制。

電力電子技犬——使用電力電子器件對電能進行控

制和轉(zhuǎn)換的技術。

電力電子技犬包括電力電子器件、電路和控制三部

分，其中電刀電子器件是基礎和核心。

電力電子技大變換的“電力”可大到數(shù)百MW甚至

師生：共同分析、討論,

GW,也可小到數(shù)W甚至mW級。

教師講授原有知識點、

電力變換四大類

學生回顧C

交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流

學生：小組合作、討論。

■1

講解?人教師：巡回指導、總結(jié)

?（金決策方案。

天觸電功率靜本開關

3電力電子技術的應用

師生；共同討論電力電

一般工業(yè)：交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè)

子的應用。

交通運輸：目氣化鐵道、電動汽車、航空、航海

小結(jié)教師：提問個別同學在

電力系統(tǒng)：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償

該應用中電力電子的

電子裝置電源：為信息電子裝置提供動力

變換作用。

家用電器：“節(jié)能燈”、變頻空調(diào)

學生：思考并回答。

其他：UPS、航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置

此部分可展開講，激發(fā)學生學習電力電子的興趣。

正向?qū)ǎ篜N結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時,

形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流，稱為正向

電流

反向截止：當PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）

時，PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過。

反向擊穿：PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但

當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增

大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)。

按照機理不同有?雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形

式。

反向擊穿發(fā)牛時，采取了措施將反向電流限制師生：共同分析、討論.

在一定范闈內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復原來的狀態(tài)。教師講授原有知識點、

學生回顧。

否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。

二、電力二極管的基本特性學生：小組合作、討論。

1、靜態(tài)特性教師：巡回指導、總結(jié)

主要指其伏安特性決策方案。

講解

師生：共同討論電力電

子的應用。

2、動態(tài)特性教師：提問個別同學二

動態(tài)特性-因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之

極管伏安特性特點。

間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電

學生：思考并回答。

壓-電流特性是隨時間變化的

3、電力二極管的主要參數(shù)

1）額定電流（正向平均電流L）

2）正向平均目壓UP

3）額定電壓（反向重亞峰值電壓UM）

4）最高工作結(jié)溫TJM

2.參數(shù)選擇

1)型號

國產(chǎn)普通功.率二極管f的型號規(guī)定如下：

7PEJ一E1□

L正向平均電壓組別（小丁

100A不標）

—額定電壓（反向重復峰值電壓等級）

—額定電流（額定正向平均電流等級）

—普通型

—整流特性

小結(jié)

教

后

札電力二極管的參數(shù)要展開講。

記

課題任務4認識品閘管課型理論課教時2學時

教學1能說出品閘管導通條件

目標2能說出晶閘管導通條件

教學

晶閘管導通條件

重點課前資料查閱、

教

學準備PPT課件

難

點晶閘管導通條件

探究

晶閘管導通條件

目標

教學教學

互動教學方法啟發(fā)式教學

模式

教學環(huán)節(jié)

教學過程和內(nèi)容師生活動

時間分配

復習提問：

復習

1、什么是電力電子器件，分哪幾類？

教師：引導學生回顧以

2、說H電力二極管的結(jié)構(gòu)及靜態(tài)特性、動

態(tài)特性。

"2.1認識晶閘管的結(jié)構(gòu)和導通關斷條件前所學知識。

新授一、晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理學生：回顧重要的知識

外形有螺栓型和平板型兩種封裝

點。

引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)

接端，對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，

能與散熱器緊密聯(lián)接旦安裝方便。

教師：講授、演示任務

結(jié)果。

圖14晶I蚓管的夕味、內(nèi)都結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號學生：認真觀察實驗現(xiàn)

a）晶研管外形b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)c）電氣圖形符號

象，仔細傾聽任務要

二、晶閘管的電壓電流關系

求。

圖1-7晶閘管的伏安特性

結(jié)論：

1、承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)

電流，晶閘管都不會導通；

2、承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流

的情況下晶閘管才能開通；

3、晶閘管一旦導通，門極就失去控制作

用；

4、要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電師生：共同分析、討論,

流降到接近于零的某一數(shù)值以下晶閘管的伏安教師講授原有知識點、

特性。

三、品閘管的主要參數(shù)學生回顧。

1、電壓參數(shù)學生：小組合作、討論。

1）斷態(tài)重復峰值電壓UDRM

在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復教師：巡回指導、總結(jié)

加在器件上的正向峰值電壓。決策方案。

2）反向重復峰值電壓URRM

在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復

加在那件上的反向峰值電壓。

3）通態(tài)（峰值）電壓UTM

晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均

電流時的瞬態(tài)峰值電壓。師生：共同分析、討論。

通常取晶閘管的IDRM和URRM中較小的標教師：提問個別同學。

值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓

要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作學生：思考并回答。

時晶閘管所承受峰值電壓的2-3倍，

2、電流參數(shù)

1）通態(tài)平均電流IT（AV）（額定電流）

講解晶閘管在環(huán)境溫度為40（C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)

下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的

最大工頻正弦半波電流的平均值。教師：引導學生回顧以

2）維持電流IH前所學知識。

使晶閘管維持導通所必需的最小電流。

3）擎住電流IL學生：回顧重要的知識

4）浪涌電流1TSM點。

小結(jié)

教

后

札晶閘管的導通條件是重點，需要展開講

記

課題2.2了解晶閘管工作原理課型理論課教時2學時

教學

目標能說出晶閘管工作原理

教學

晶閘管工作原理

重點課前資料查閱、

教學準備PPT課件

晶閘管工作原理

難點

探究

晶閘管工作原理

目標

教學教學

互動教學啟發(fā)式教學

模式方法

教學環(huán)節(jié)

教學過程和內(nèi)容師生活動

時間分配

復習復習提問：

1、晶閘管導通條件是什么？維持晶閘管導

通的條件是什么？教師：引導學生回顧以

2、晶閘管的關斷條件是什么？如何實現(xiàn)？前所學知識。

新授學生：回顧重要的知識

A點。

I

教師：講授、演示任務

a)b)結(jié)果。

晶閘管的工作原理

?按照晶體管工作原理，可列出如下方程：

學生：認真觀察實驗現(xiàn)

(2-1)

象，仔細傾聽任務要

(2-2)求。

(2-3)

(2-4)

式中al和a2分別是晶體管VI和V2的共基極

電流增益；ICB01和ICB02分別是VI和V2的

共基極漏電流。

由以上式(2-1)~(2-4)可得

師生：共同分析、討論,

1-(四+a2)

教師講授原有知識點、

晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下a是很小

的，而當發(fā)射極電流建立起來之后，a迅速增學生回顧。

大。學生：小組合作、討論。

晶閘管的陽極A相當于PNP型晶體管的V,的發(fā)射

教師：巡回指導、總結(jié)

極、陰極K相當于5IPN型晶體管L的發(fā)射極，當晶閘

管陽極承受正向電壓，門極也加正向電壓時，晶體管決策方案。

處于正向偏置，民產(chǎn)生的門極電流L就是％的基極

電流Ib2,V2的集電極電流Ic2=P2Iso而G又是晶體管

%的基極電流1b1,%的集電極電流L產(chǎn)B1B2L

（B］和跖分別是明和也的電流放大系數(shù)）。電流L

師生：共同分析、討論。

又流入V2的基極，再一次被放大。這樣循環(huán)下去，形

成了強烈的正反饋，使兩個晶體管很快達到飽和導教師：提問個別同學。

通，這就是晶閘管的導通過程。導通后，品閘管上的

壓降很小，電源電壓幾乎全部加在負載上，晶閘管中學生：思考并回答。

流過的電流即負載電流。正反饋過程如下：

Lt_*Ib2t-*Ic2（Ibl）tf

lutt教師：引導學生回顧以

品閘管導通后，它的導通狀態(tài)完全依靠管子本身前所學知識。

的正反饋作月來維持，即使門極電流h=0,限仍足夠

講解大，晶閘管仍將處于導通狀態(tài)。要想關斷晶閘管，必學生：回顧重要的知識

須將陽極電流減小到使之不能維持正反饋的程度，即點。

將陽極電流減小到小于維持電流，晶閘管方可恢復阻

小結(jié)斷狀態(tài)。

教

后

札晶閘管工作原理較難，需要詳細展開講

記

任務3認識單相可控整流

課題課型理論課教時2學時

電路

教學

1能畫出單相半波可控整流電路的電路結(jié)構(gòu)

目標

2能畫出單相半波可控整流電路的波形圖

教學

單相半波可控整流電路的波形圖

重點課前資料查閱、

教學準備PPT課件

單相半波可控整流電路的波形圖

難點

探究

單相半波可控整流電路的波形圖

目標

教學教學

互動教學啟發(fā)式教學

模式方法

教學環(huán)節(jié)

教學過程和內(nèi)容師生活動

時間分配

復習復習提問：

1、為什么普通晶閘管不能自行關斷？

新授教師：引導學生回顧以

3.1分析單相半波可控整流電路(電阻性負載)

前所學知識。

學生：回顧重要的知識

點。

教師：講授、演示任務

結(jié)果C

學生：認真觀察實驗現(xiàn)

(1)在電源電壓正半波(0~R區(qū)間)，晶閘管承受

象，仔細傾聽任務要

正向電壓，脈沖5在5=a處觸發(fā)晶閘管，晶閘管開求。

始導通，電路接通，負載上有輸出電壓山和電流id。

(2)在3t=a時刻，卬=0，也源電壓自然過零，

晶閘管電流小于維持電流而關斷，負載電流為零。

(3)在電源電壓負半波(n~2w區(qū)間)，晶閘管承

受反向電壓而處于關斷狀態(tài)，負載上沒有輸出電壓，

負載電流為零。

3.名詞解釋

在電路分析中涉及到幾個名詞術語和概念。

1)控制角a

控制角。也叫觸發(fā)角或移相角，指從晶閘管開始

承受正向電壓，到其加上觸發(fā)脈沖的這一段時間所對

應的電角度(0~3j)。

師生：共同分析、討論,

2)導通角H

教師講授原有知識點、

學生回顧。

導通角e是指晶閘管在一周期內(nèi)處于導通的電先

學生：小組合作、討論。

度（3t|~ir），即6=JT-a?

講解教師：巡回指導、總結(jié)

3）移相

移相指改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻，即改變控制角決策方案。

。的大小。

4）移相范圍師生：共同分析、討論。

小結(jié)移相范BI是指一個周期內(nèi)觸發(fā)脈沖的移動范圍，教師：提問個別同學。

它決定了輸H電壓的變化范圍。單相半波整流電路理

學生：思考并回答。

論上移相范圍0?~180?0

提醒學生注意該電路和二極管整流電路的區(qū)別

任務3認識單相可控整流

課題課型理論課教時4學時

電路

教學

能根據(jù)單相半波可控整流電路的電路結(jié)構(gòu)進行相關計算

目標

教學

單相半波可控整流電路的相關計算

重點課前資料查閱、

教學準備PPT課件

單相半波可控整流電路的相關計算

難點

探究

單相半波可控整流電路的相關計算

目標

教學

教學

法

方

式

?；咏虒W啟發(fā)式教學

教學環(huán)節(jié)

教學過程和內(nèi)容師生活動

時間分配

復習復習提問：

1、單相半波可控整流電路和二極管整流電路由

新授什么區(qū)別？教師：引導學生回顧以

前所學知識。

4.計算相關參數(shù)

(1)直流輸出電壓的平均值為學生：回顧重要的知識

點O

"d=打：4%則3d30=華寧^=0.4...IX。"

也2

(2-5)

可見通過改變a角的大小就可以達到調(diào)節(jié)口的

目的。當a=0?時，山波形為一完整的正弦半波波形，

此時輸出電壓Ud為最大,為0.45U2。隨著a的增大,

教師：講授、演示任務

山將減小，至a=1HO,時，U4=0。結(jié)果。

(2)直流輸出電流的平均值L為

/d吟=0.45彳空學生：認直觀看題目，

仔細傾聽題目要求。

(2-6)

(3)負載上得到的直流輸出電壓有效值U和電流

有效值I分別為

u2

■心，：(au*Mq))d(3)■u2杉?-

(2-7)

2=匕H*

?aq29”

(2-8)*

*在該公式中所有角度統(tǒng)一用弧度計算

在單相半波整流電路中，晶閘管與負載電阻以及

變壓器二次側(cè)繞組是串聯(lián)的，故流過負載的電流平均

值即是流過晶閘管的電流平均值Lr；流過負載的電流

有效值1也是流過晶閘管電流的有效值h同時也是

流過變壓器二次側(cè)繞組電流的有效值I2o

4)功率因數(shù)cos甲師生：共同分析、討論，

對于整流電路而言，通常還要考慮功率因數(shù)教師講授原有知識點、

cos平和電源容量的要求。忽略元件損耗，變壓器二次學生回顧。

學生：小組合作、討論。

側(cè)所供給的有功功率是P=l2R=in,變壓器二次側(cè)

教師：巡回指導、總結(jié)

講解

的視在功率為S=UJz。因此，電路的功率因數(shù)為決策方案。

,UIUI/<-?,tin2a

E■廣麗,萬=師生：共同分析、討論。

(2-9)*教師：提問個別同學。

*在該公式中所有角度統(tǒng)一用弧度計算學生：思考并回答。

當a=0?時，853最大為0.707,可見單相半

波可控整流旦路中，盡管帶的是電阻性負載，但由于

諧波的存在，功率因數(shù)很低，變壓器的利用率最大也

僅有70%左右。。越大，cos邛越小，設備利用率就越

差。

【例2-3］如圖2-16（a）所示在單相半波可控

整流電路（可阻性負載）中，電源電壓U2為220V,要

求的直流輸出平均電壓為50V,直流輸出平均電流為

20A,試計算：

1）晶閘管的控制角；

2）輸出電流有效值；

3）電路功率因數(shù)；學生：自行計算

4）選擇晶閘管型號規(guī)格（安全裕量取2倍）。

解：1）由式（2-5）計算輸出電壓為50V時的晶閘管

控制角a：

2Ud.2X50.

一0.4電0.45X220

則a?90?

2）負載電阻

R=￥=幼=2.5。

20

當a=<>0?時，愉出電流有效值：教師：講解并分析

子吟再+等…

3）電路功率因數(shù)：

PUIUIk-asin2a

2X.H=°5

4）晶閘管的電流有效值I1與輸出電流有效值I

相等,即：

則優(yōu)”）?（15~2）去，取兩倍安全裕量，晶閘

管的額定電流為

%的=56.05A

晶閘管承受的最高電壓：

%*=42U2=V2X220=311V

考慮2倍安全裕量，晶閘管的額定電壓為學生：自行計算

（/Tll=2（/TM=2X311=622V

根據(jù)計算結(jié)果可以選取滿足要求的晶閘管

KP100-7o

【例24】某?單相半波可控整流電路（電阻性

負載）中，要求輸出的直流平均電壓為50?92V之間

連續(xù)可調(diào)，最大輸出直流平均電流值為30A,由交流

220V供電，試計算：

1）晶閘管控制角應有的可調(diào)范圍；

2）最大功率因數(shù)cos3；

3）選擇晶閘管的型號規(guī)格（安全裕量取2倍）。

解：1）由式（2-5）可得：

當U”=50V時，

2X50

cosa=————--1*0

0.45X220

a=90*

當Ud=92V時，

2X92

cosa.人“-?-1*0J159教師：講解并分析

0.45X220

aa30*

2）a=30"時;功率因數(shù)cos3為該變化范圍內(nèi)

最大，可以求得

hr-asin2a

cosy=1---+---*0.697

1碗4M

3)當a=30?時，在該變化范圍內(nèi)流過負載的

電流值最大，則根據(jù)最大輸出直流平均電流值為30A,教師：講解并分析

可以得到

(%1+cosa

2

U2k一asin2a

F■RJ2★+4ir

l?5CA

得到此時流過晶閘管的電流有效值最大為50A,

則晶閘管額定電流為

/的=2X卷=2x言=64A

小結(jié)晶閘管的額定電壓為

%*-2X=2XX220??622V

故取額定電流為100A,額定電壓為7C0V的晶閘

管,型號為KP100-7。

教

后

札提醒學生注意功率因數(shù)角的計算準則

記

課題6.2單相橋式全控整流電路課型理論課教時4學時

教學

1能畫出單相橋式波全控整流電路的電路結(jié)構(gòu)以及應用特點

目標

2能根據(jù)單相橋式波全控整流電路的電路結(jié)構(gòu)進行相關計算

教學

單相橋式波全控整流電路整流特點

重點課前資料查閱、

教學準備PPT課件

點

難單相橋式波全控整流電路整流特點

探究

單相橋式波全控整流電路整流特點

目標

教學

教學

法

互動教學方啟發(fā)式教學

模式

教學環(huán)節(jié)

教學過程和內(nèi)容師生活動

時間分配

復習復習提問：

1、簡述單相半波可控整流電路帶電阻負載

的工作情況。教師：引導學生回顧以

2、簡述單相半波可控整流電路帶電阻負載前所學知識。

的相關參數(shù)計算。

新授4.1分析單相橋式全控整流電路（電阻性負載）學生：回顧重要的知識

，述72上點。

2田二上

4教師：講授、演示任務

0!

結(jié)果。

0

講解學生：認真觀察實驗現(xiàn)

2.工作原理

在該電路圖中，兩只晶閘管是共陰極連接的，即象，仔細傾聽任務要

使同時觸發(fā)兩只管子，也只能是陽極電位高的晶閘管

導通；而另兩只二極管是共陽極連接的，則總是陰極求。

點位低的二極管導通。

1）電源電壓正半周

在電源口壓正半周，a端電位高于b端電位，晶

閘管與VL同時承受正向電壓，如果此時門極無觸

發(fā)信號，則兩晶閘管均處于正向阻斷狀態(tài)。忽略晶閘

管的正向漏目流，電源電壓山將全部加在V1與VT,

上。當（ot=a時觸發(fā)晶閘管\1、VT?電流流過VT】、

R、VTKT二次側(cè)形成回路，此期間VTz、\工承受反壓

而截止，若忽略兩管的正向?qū)▔航?，則負載上得到

的直流輸出可壓就是電源電壓U2,即14d=%。當U2

過零時，id下降至零，VT.sVT.I關斷。

2)電源電壓負半周

在電源口壓負半波，b端電位高于a端電位，晶

閘管VT2與VT3承受正向電壓，當(ot=a+口時刻同時

觸發(fā)晶閘管n2、VT3導通，電流通過VT2、R、VT3、T

二次側(cè)形成回路，負載R兩端獲得與電源電壓隊正半

周相同波形的整流電壓和電流，在此期間丫「、VT,|i|教師:引導學生回顧以

承受反壓而截止。當負半周電壓過零而關斷。一個周前所學知識。

期過后，又是V"、VT,被觸發(fā)導通，如此循環(huán)下去。

輸出整流電壓5、電流id、晶閘管兩端電壓皿以及變學生：回顧重要的知識

壓器二次側(cè)目流"的波形如圖2-23(b)所示。點。

3.計算包相橋式全控整流電路(電阻住負載)相

關參數(shù)

單相橋式全控整流電路(電阻性負載)基本數(shù)量

關系如下：

(1)直流輸出電壓的平均值為

%=："2sinajtd(wt)=^^(1+cosa)=0.96號2

(2-14)

由上式可知，直流平均電壓山是控制角u的函數(shù)，

是單相半波時的兩倍，當a=0'時，［%=以9%為最

教師：講授、演示任務

大值，當a,180?時，3=0,。移相范圍為0~m

結(jié)果。

(2)直流輸出電流的平均值L為

。吟=。?吟胃學生：認真觀察實驗現(xiàn)

(2-15)象，仔細傾聽任務要

(3)負載上得到的直流輸出電壓有效值U是單相求。

半波時的6倍，即：

U=企%。Hn2a+養(yǎng)=%再+誓

(2-16)

(4)晶聞管電流平均值/"和有效值/7：

晶閘管電流由于兩對晶閘管輪流導通，在一個正

弦周期每個導通180。，故流過每個晶閘管上的電流

平均值為：教師：講授、演示任務

結(jié)果。

.1.-?.</I1+cma

5■力?n。?45房2

(2-17)學生：認真觀察實驗現(xiàn)

流過晶閘管的電流有效值為：

象，仔細傾聽任務要

TQW屬J2*v求。

(2-18)

(5)功率因數(shù)cos.

fUIsan2a

『■廣萬■廳*aM

(2-19)

電路要求移相范圍為0~m與單相半波相同，而

觸發(fā)脈沖間隔為m不同于單相半波。

小結(jié)

波形圖注意細節(jié)

任務5認識單結(jié)晶體管觸發(fā)電

課題課型理論課教時2學時

路

教學

1能說出對觸發(fā)電路的基本要求

目標

2能說出單結(jié)晶體管的工作過程及特性

教學

單結(jié)晶體管的工作過程及特性

重點課前資料查閱、

教學準備PPT課件

點

難單結(jié)晶體管的工作過程及特性

探究

單結(jié)晶體管的工作過程及特性

目標