電力電子技術(shù)教案

電力電子技術(shù)

教案

周次：

時(shí)間：

課題：緒論第一章第一節(jié)電力二極管

課時(shí)：2課時(shí)

教學(xué)目標(biāo)：1、了解什么是電力電子技術(shù)

2、電力二極管的結(jié)構(gòu)及伏安特性

3、掌握掌握電力二極管的主要參數(shù)和使用

重點(diǎn)、難點(diǎn)：電力二極管的伏安特性和主要參數(shù)

教具：教材粉筆

教學(xué)方法：講授法

時(shí)間分配：新授80分鐘小結(jié)15分鐘作業(yè)布置5分鐘

教學(xué)過(guò)程：

緒論

相關(guān)知識(shí)

一、什么是電力電子技術(shù)

電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說(shuō)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子

技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。具體地說(shuō)，就是使用電力電子器

件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。目前所用的電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件。電

力電子技術(shù)所變換的“電力”，功率可以大到數(shù)百M(fèi)W甚至GVV,也可以小到數(shù)W甚至”以下。信息電子

技術(shù)主要用于信息處理，而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換。通常所用的電力有交流和直流兩種。從公

用電網(wǎng)直接得到的電力是交流的，從蓄電池和干電池得到的電力是直流的。從這些電源得到的電力往往不

能直接滿足要求，需要進(jìn)行電力變換。如表0T所示，電力變換通?？煞譃樗拇箢?，即交流變直流、直流

變交流、直流變直流和交流變交流。交流變直流稱為整流，直流變交流稱為逆變。直流變直流是指?種電

壓（或電流）的直流變?yōu)榱硪环N電壓表0」電力變換的種類

（或電流）的直流，可用直流斬波電路輸入

交流直流

實(shí)現(xiàn)。交流變交流可以是電壓或電力輸出

的變換，稱做交流電力控制，也可以直流整流直流斬波

交流電力控制

交流逆變

交頻、變相

是頻率或相數(shù)的變換。進(jìn)行上述電力變換的技術(shù)稱為變流技術(shù)。

二.電力電子器件的發(fā)展簡(jiǎn)介

L傳統(tǒng)電力電子器件

2.現(xiàn)代電力電子器件

（1）雙極型器件

（2）單極型器件

<3）混合型器件

三、變換電路及控制技術(shù)

四、對(duì)本課程的教學(xué)要求

第一節(jié)電力二極管

相關(guān)知識(shí)

一、結(jié)構(gòu)及伏安特性

1、結(jié)構(gòu)

電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理及信息電子電路中的二極管是一樣的，都是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基

礎(chǔ)的。電力:極管實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的，圖1-2示出了電力：極管

的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)。從外形上看，電力二極管

主要有螺性型和平板型兩種封裝。

2、伏安特性

電力二極管的靜態(tài)特性主要是

指其伏安特性，如圖

所示。當(dāng)電力二極管承受的正向電

壓大到一定值（門檻電壓），正向電

流才開(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通

狀態(tài)。及正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力

a)

二極管兩端的電壓UF即為其正向

圖L2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電

a）外形b）結(jié)構(gòu)c）電氣圖形符號(hào)

壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值

恒定的反向漏電流。

二、主要參數(shù)

1、正向平均電流IF

指電力.：極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用Tc表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的

最大工頻正弦半波電流的平均值.

2.正向壓降UF

指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。有時(shí)候，其參數(shù)表

中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)電力二極管的最大瞬時(shí)正向壓降。

3.反向重復(fù)峰值電壓Urrm

指對(duì)電力二極管所能.重旦施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓Ub的2/3。使用時(shí)，往

往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定此項(xiàng)參數(shù)。

4、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。最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受

的最高平均溫度，用TJM表示。TJM通常在125—1754c范圍之內(nèi)。

5、反向恢復(fù)時(shí)間t

6.浪涌電流IFSM

指電力二極管所能承受的最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。

三、電力二極管的參數(shù)選擇及使用注意事項(xiàng)

1、參數(shù)選擇

1）額定正向平均電流IF的選擇原則

2）額定電壓U"m的選擇原則

2、電力二極管使用注意事項(xiàng)

四、電力二極管的主要類型

1.普通二極管

普通,：極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流,：極管（RectifierDiade},多用于開(kāi)關(guān)頻率

不高（1kHz以下）的整流電路中。其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，-?般在5微秒以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高

時(shí)并不重要，在參數(shù)表中甚至不列出這一參數(shù)。但其正向電流定額和反向電壓定額卻可以達(dá)到很

高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。

2.快恢復(fù)二極管

恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢更過(guò)程很短（一般在5微秒以下）的二極管被稱為快恢復(fù)二極管

（FastRecoveryDiade-FRD）,簡(jiǎn)稱快速二極管。工藝上多采用了摻金措施，結(jié)構(gòu)上有的采用PN

結(jié)型結(jié)構(gòu)，也有的采用對(duì)此加以改進(jìn)的PilV結(jié)構(gòu)。特別是采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的所謂的快恢復(fù)外

延二極管）（FastRecaeryEpitaxialDiode―FRED）,其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns）,正向

壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。不管是什么結(jié)構(gòu)，快恢復(fù):極管從性

能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí).前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在

100ns以下，甚至達(dá)到20—30nso

3,肖特基二極管

以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBar-rier

L3iad-—SBD},簡(jiǎn)稱為肖特基二極管。肖特基二極管在信息電子電路中早就得到了應(yīng)用，但直到

20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于工藝的發(fā)展才得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用。及以PIU結(jié)為基礎(chǔ)的

電力二極管相比，肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)在于:反向恢復(fù)時(shí)間很短（10—40ns,正向恢復(fù)過(guò)程中也

不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖;在反問(wèn)耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管。W

此，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。肖特基二極管的弱點(diǎn)在于:當(dāng)所

能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場(chǎng)合;

反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。

小結(jié)：

1、本課程所學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容。

2、掌握電力二極管的結(jié)構(gòu)和伏安特性。

3、學(xué)習(xí)電力二極管的主要參數(shù)和選擇。

4、認(rèn)識(shí)電力二極管的主要類型。

作業(yè)布置：

審批：

后記:

周次:

時(shí)間：

課題：1.2品閘管

課時(shí)：2課時(shí)

教學(xué)目標(biāo)：1、了解晶閘管的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)通、關(guān)斷條件。

2、掌握晶閘管的工作原理。

3、掌握主要參數(shù)。

重點(diǎn)、難點(diǎn)：晶閘管的工作原理

教具：教材粉筆

教學(xué)方法：講授法

時(shí)間分配：回顧10分鐘新授70分鐘小結(jié)15分鐘作業(yè)布置5分鐘

教學(xué)過(guò)程：

第二節(jié)品閘管

任務(wù)導(dǎo)入

相關(guān)知識(shí)

一、結(jié)構(gòu)

外形有螺栓型和平板型兩種封裝

引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端

對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能及散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便

平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間

晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，迅速增大。

阻斷狀態(tài)：兒=0,4「很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之用。

開(kāi)通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致：+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流

人（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。A實(shí)際由外電路決定。

其他幾種可能導(dǎo)通的情況：

陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)。

陽(yáng)極電壓上升率dW”過(guò)高。

結(jié)溫較高。

光直接照射硅片，即光觸發(fā)。

光觸發(fā)可以保證控制電路及主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，其它都因不易控制而難以

應(yīng)用于實(shí)踐，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor----LTT）.

只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段。

二.晶閘管的特性

1.靜態(tài)特性

總結(jié)前面介紹的工作原理，可以簡(jiǎn)單歸納晶閘管正常工作時(shí)的特性如下：

承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。

承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。

晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。

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。

品閘管的伏安特性

第I象限的是正向特性

第III象限的是反向特性

晶閘管的伏安特性Z2>Z1>/G1）正向特性

宓=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即

正向轉(zhuǎn)折電壓則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。

隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。

導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。

晶閘管本身的壓降很小，在IV左右。

導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某?數(shù)值A(chǔ)以下，則晶閘管又回到正向阻斷

狀態(tài)。A稱為維持電流。

2）反向特性

晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性。

晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極分的反相漏電流流過(guò)。

當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘

管發(fā)熱損壞。

2.動(dòng)態(tài)特性

晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形1)開(kāi)通過(guò)程

延遲時(shí)間加門極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。

上升時(shí)間tn陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的9(后所需的時(shí)間。

開(kāi)通時(shí)間“以上兩者之和，

笈=友+tr(1-6)

普通晶閘管延遲時(shí)為0.5~L5s,上升時(shí)間為0.5~3So

晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形2)關(guān)斷過(guò)程

反向阻斷恢復(fù)時(shí)間八：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間

正向阻斷恢復(fù)時(shí)間加：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間

在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)ā?/p>

實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電

路才能可靠工作。

關(guān)斷時(shí)間小〃及工”之和，即4=J+小，普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

三、晶閘管的主要參數(shù)

1.電壓定額1)通態(tài)平均電流Jr(AV)一一晶閘管在環(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(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)。

2)維持電流為:一一使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百亮安，及結(jié)溫有關(guān)。結(jié)

溫越高,則用越小。

3)擎住電流4一一晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流對(duì)同一

晶閘管來(lái)說(shuō)，通常九約為帕的2~4倍。

4)浪涌電流JTSM——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。2.電流定額1)通態(tài)平均電流/r(AV)2)維持電流電3)擎住電流丸4)浪

涌電流QSM3?動(dòng)態(tài)參數(shù)除開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間G外，還有：(D斷態(tài)電壓臨界上升率dWd，在阻

斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過(guò)，被稱為位移

電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就

會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。

(2)通態(tài)電流臨界上升率d〃de如果電流上升太快，則晶閘管剛一開(kāi)通，便會(huì)有很大的電流集中在門極

附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞

小結(jié)：本節(jié)主要了解電力電子技術(shù)的基本元件之一晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性能和晶閘管

的主要參數(shù)，要求學(xué)生完全掌握以便為后續(xù)的知識(shí)做準(zhǔn)備。

作業(yè)布置：

審批:

后記:

周次:

時(shí)間:

課題：第三節(jié)雙向晶閘管及其他派生品閘管

第二章第一節(jié)門極關(guān)斷晶閘管

課時(shí)：2課時(shí)

教學(xué)目標(biāo)：1、了解雙向晶閘管及其他派生晶閘管的簡(jiǎn)單原理

2、了解GTO的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

3、掌握GTO的特性和主要參數(shù)

重點(diǎn)、難點(diǎn)：GTO的工作原理和特性

教具：教材

教學(xué)方法：講授法

時(shí)間分配：回顧10分鐘新授70分鐘小結(jié)15分鐘作業(yè)布置5分鐘

教學(xué)過(guò)程：

第三節(jié)雙向晶閘管及其派生晶閘管

任務(wù)導(dǎo)入

相關(guān)知識(shí)

晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

a)雙晶體管模型b)工作原理

1.快速晶閘管(FastSwitchingThyristor--FST)包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶

閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/譏和耐量都有明顯改善。

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105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，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效

應(yīng)。

2.雙向晶閘管(TriodeACSwitch-TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor)

3.逆導(dǎo)晶閘管(ReverseConductingThyristor-RCT)

4.光控晶閘管(LightTriggeredThyristor-LTT)

第二章第一節(jié)GTO

1.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

結(jié)構(gòu)：及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，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些GTO元的陰極

和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

工作原理：及普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來(lái)分析。

GTO能夠通過(guò)門極關(guān)斷的原因是其及普通晶閘管有如下區(qū)別：

由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：GTO導(dǎo)通過(guò)程及普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷

過(guò)程：強(qiáng)烈正反饋——門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，則小減小,使人和心減小，心的減小又使4和

心減小，又進(jìn)一步減小V?的基極電流。當(dāng)4和人的減小使,+￡1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)

還使GTO比普通船閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受d〃dt能力強(qiáng)°

2.GTO的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程：及普通品閘管類似，需經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間入和上升時(shí)間。.

關(guān)斷過(guò)程：及普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子一一儲(chǔ)存時(shí)間&,使等效晶體管退出

飽和。等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小一一下降時(shí)間卻。殘存載流子復(fù)合——尾部時(shí)

間I…通常。比L小得多，而，，比，，要長(zhǎng)。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越

快，，，越短。門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在。階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時(shí)間。

3.GTO的主要參數(shù)

最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流4Kl

術(shù)語(yǔ)用法：

電力晶體管(GiantTransistor一一GTR,直譯為巨型晶體管)耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管(Bipolar

JunctionTransistor——BJT),英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR及BJT這兩

個(gè)名稱等效。

應(yīng)用

20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力VOSFET取代。

小結(jié)：本節(jié)主要講述了GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理，工作原理和普通晶閘管做比較讓學(xué)生更好的掌握GTO的工

作原理，在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)GTO的特性和主要參數(shù)。

作業(yè)布置：

審批：

后記:

周次:

時(shí)間:

課題：第二節(jié)電力品閘管

第三節(jié)電力場(chǎng)效應(yīng)晶閘管

課時(shí)：2課時(shí)

教學(xué)目標(biāo)：1、簡(jiǎn)單了解電力晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理

2、掌握電力場(chǎng)效應(yīng)晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理

3、掌握電力場(chǎng)效應(yīng)晶閘管的特性和參數(shù)

重點(diǎn)、難點(diǎn)：電力場(chǎng)效應(yīng)晶閘管的工作原理

教具：教材

教學(xué)方法：講授法

時(shí)間分配：回顧10分鐘新授70分鐘小結(jié)15分鐘作業(yè)布置5分鐘

教學(xué)過(guò)程：

1.GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流心.時(shí)，，和A的關(guān)系

為￡=A+4，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中通常給直流電流增益“——在直流工作情況下集電極電流及基極電流

之比。一般可認(rèn)為“.單管GTR的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),

即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)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

開(kāi)通過(guò)程

延遲時(shí)間右和上升時(shí)間的二者之和為開(kāi)通時(shí)間，。右主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充

電產(chǎn)生的。增大九的幅值并增大dA/dZ,可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開(kāi)通過(guò)程。

關(guān)斷過(guò)程

儲(chǔ)存時(shí)間乙和下降時(shí)間口二者之和為關(guān)斷時(shí)間。心是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，

是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流小的幅值

和負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降〃”增

加，從而增大通態(tài)損耗。GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GT0都短很多。

3.GTR的主要參數(shù)

前己述及：電流放大倍數(shù)、直流電流增益保、集射極間漏電流乙。、集射極間飽和壓降乩.、開(kāi)通時(shí)

間口和關(guān)斷時(shí)間均r（此外還有）：

1）最高工作電壓

GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿，擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還及外電路接法有關(guān)。

BUQBUCB氏0B&G及小實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比8心低得多。

2）集電極最大允許電流入I

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。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到小的一半或稍

多一點(diǎn)。

3）集電極最大耗散功率修

最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中給兒時(shí)同時(shí)給出殼溫△，間接表示了最高工作溫度O

4.GTR的二次擊穿現(xiàn)象及安全工作區(qū)

一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，/迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要A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)，增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨

電壓的陡然下降。常常立即導(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)（SafeOperating

Area——SOA）最高電壓〃＞、集電極最大電流乙、最大耗散功率力、二次擊穿臨界線限定。也分為結(jié)型

和絕緣柵型（類似小功率FieldEffectTransistor——FET）

1.電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

電力MOSFET的種類

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道

耗盡型一一當(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)型一一對(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

2.電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型

電力MOSFET的結(jié)構(gòu)

小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）-

大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的

VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffuseeMOSFET）o這里主要以

VDMOS器件為例進(jìn)行討論

電力MOSFET的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。

P基區(qū)及N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)工反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。

導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓〃S

柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少

子一一電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)以大于〃（開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃

度將超過(guò)空穴濃度，使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)上消失，漏極和源

極導(dǎo)電o

1）靜態(tài)特性

漏極電流/“和棚源間電壓心的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。兒較大時(shí)，兒及小的關(guān)系近似線性，曲線的斜率

定義為跨導(dǎo)臉.

MOSFET的漏極伏安特性：

截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）

飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）

非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）

電力MOSFET工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。

電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。

電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

2）動(dòng)態(tài)特性

開(kāi)通過(guò)程

開(kāi)通延遲時(shí)間以加一一4前沿時(shí)刻到處=4并開(kāi)始出現(xiàn)人的時(shí)刻間的時(shí)間段。

上升時(shí)間tr一一九從s上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的棚壓A8的時(shí)間段。

九穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓小:和漏極負(fù)載電阻決定。2k的大小和。的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)以達(dá)到〃SP后，在%作用下繼續(xù)

升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但人已不變。

開(kāi)通時(shí)間端——開(kāi)通延遲時(shí)間及上升時(shí)間之和。

關(guān)斷過(guò)程

關(guān)斷延遲時(shí)間〃——4下降到零起，C通過(guò)凡和凡放電，出按指數(shù)曲線下降到心時(shí)，幾開(kāi)始減小止的時(shí)

間段。

下降時(shí)間。——人從%＞繼續(xù)下降起，公減小，至此；《〃時(shí)溝道消失，疝下降到零為止的時(shí)間段。

關(guān)斷時(shí)間小一一關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。

MOSFET的開(kāi)關(guān)速度

MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和充放電有很大關(guān)系。使用者無(wú)法降低H，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻尼減小時(shí)間常數(shù)，

加快開(kāi)關(guān)速度。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(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。

小結(jié)：本節(jié)主要簡(jiǎn)單了解電力晶閘管的工作原理和掌握電力場(chǎng)效應(yīng)晶閘管的工作原理及特性并及其他晶閘

管做比較。

作業(yè)布置:

審批：

后記：

周次：

時(shí)間：

課題：第四節(jié)絕緣柵雙極品閘管

課時(shí)：2課時(shí)

教學(xué)目標(biāo)：

1掌握絕緣柵雙極晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理

2掌握絕緣柵雙極晶閘管的特性

3掌握絕緣柵雙極晶閘管的主要參數(shù)

重點(diǎn)、難點(diǎn)：1.絕緣柵雙及晶閘管的工作原理

2.絕緣柵雙極晶閘管的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)

教具：教材

教學(xué)方法：講授法

時(shí)間分配：回顧10分鐘新投70分鐘小結(jié)15分鐘作業(yè)布置5分鐘

教學(xué)過(guò)程：

第四節(jié)絕緣柵雙極晶閘管

相關(guān)知識(shí)

GTR和GTO的特點(diǎn)一一雙極型，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)一一單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，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。

兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件一Bi-MOS器件

絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gateBipolarTransistor--------IGBT或IGT)GTR和MOSFET復(fù)合，

結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性。1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng)，中小功率電力電

子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。

1.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E

IGBT的結(jié)構(gòu)

圖2-17N溝道VDMOSFET及GTR組合——N溝道IGBT(N-IGBT)

IGBT比VDMOSFET多一層P注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的PR結(jié)工.一一使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P.注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)

射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR

及MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，?個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。R為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

IGBT的原理

驅(qū)動(dòng)原理及電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓瞅決定。

導(dǎo)通：出大于開(kāi)啟電壓心皿時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。

導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻區(qū)減小，使通態(tài)壓降小。

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

轉(zhuǎn)移特性——人及場(chǎng)間的關(guān)系,及MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似。

開(kāi)啟電壓心,聞一一IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。

品皿隨溫度升高而略有下降，在+25曲，及皿的值一般為2~6V。

輸出特性（伏安特性）一一以晶為參考變量時(shí)，人及凡間的關(guān)系。

分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別及GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)。

如<0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。

2）IGBT的動(dòng)態(tài)特性

IGBT的開(kāi)通過(guò)程

及MOSFET的相似，因?yàn)殚_(kāi)通過(guò)程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行。

開(kāi)通延遲時(shí)間NW一—從詆上升至其幅值10%的時(shí)刻，到G上升至10%I70

電流上升時(shí)間L―八從上升至90%%所霜時(shí)間。

開(kāi)通時(shí)間G——開(kāi)通延遲時(shí)間及電流上升時(shí)間之和。

詆的下降過(guò)程分為人和小兩段?！狪GBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程：tf.2——MOSFET和PNP晶體

管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。

IGBT的關(guān)斷過(guò)程

關(guān)斷延遲時(shí)間—從電后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻起，到人下降至90%7al<

電流下降時(shí)間---，（從90%小下降至10%/aio

關(guān)斷時(shí)間編f一一關(guān)斷延遲時(shí)間及電流下降之和。

電流下降時(shí)間又可分為hl和人兩段。rni一一IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，入下降較快；加2一—IGBT內(nèi)

部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，人下降較慢。

IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來(lái)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT

的開(kāi)關(guān)速度低于電力MOSFET。

IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需要折衷的參數(shù)。

高壓器件的N基區(qū)必須有足夠?qū)挾群洼^高的電阻率，這會(huì)引起通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時(shí)間的延長(zhǎng)。

小結(jié)：1.1GBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.IGBT的特性和基本參數(shù)

3.IGBT和其他晶閘管的比較

作業(yè)布置：

審批：

后記：

周次:

時(shí)間：

課題：第三章第一節(jié)典型全控型電力電子器件的驅(qū)動(dòng)

課時(shí)：2課時(shí)

教學(xué)目標(biāo)：

1掌握電流驅(qū)動(dòng)器件及驅(qū)動(dòng)電路

2掌握電壓驅(qū)動(dòng)器件及驅(qū)動(dòng)電路

3掌握電壓驅(qū)動(dòng)和電流驅(qū)動(dòng)在什么條件下使用

重點(diǎn)、難點(diǎn)：GTO的驅(qū)動(dòng)原理

教具：傳感器模塊

教學(xué)方法：教材

時(shí)間分配：新授20分鐘實(shí)操80分鐘

教學(xué)過(guò)程：回顧10分鐘新授70分鐘小結(jié)15分鐘作業(yè)布置5分鐘

第一節(jié)典型全控型電力電子器件的驅(qū)動(dòng)

相關(guān)知識(shí)

驅(qū)動(dòng)電路一一主電路及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。

對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路還要提供

控制電路及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。

按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(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)是采用專用集成驅(qū)動(dòng)電路。雙列直插式集成電路及

將光耦廂離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。

為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。

光耦合器的類型及基本接法

一.電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

1.GT0和GTR是電流驅(qū)動(dòng)型器件。

GT0的開(kāi)通控制及普通晶閘管相似，但對(duì)觸發(fā)脈沖前沿的幅值

和陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流.使GTO

關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對(duì)其幅值和

陡度的要求更高，幅值需達(dá)陽(yáng)極電流的1/3左右，陡度需達(dá)50A/S,

強(qiáng)負(fù)脈沖寬度約30s,負(fù)脈沖總寬約WOs,關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施

加約5V的負(fù)偏壓，以提高抗干。<__.卜

推薦的GTO門極電壓電流波形

GTO一般用于大容量電路的場(chǎng)合，其驅(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)電路和門極反偏電路

三部分，可分為脈沖變壓器藕合式和宜接藕合式兩種類型。直接藕合式驅(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，因此目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，

效率較低。

使GTR開(kāi)通的基極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使其處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)

狀態(tài)，使之不進(jìn)人放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時(shí)，

加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷F寸間和關(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

的負(fù)偏壓。GTR驅(qū)動(dòng)電流的前沿上升時(shí)間應(yīng)小于1s,

保證它能快速開(kāi)通和關(guān)斷。理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流

形如圖所示

二.電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

LIGBT和功率MOSFET對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求TGBT和功率MOSFET都是壓控器件，門極輸入阻抗高，所需

驅(qū)動(dòng)功率小，較GTO和大功率晶體管的門極驅(qū)動(dòng)容易，IGBT和功率MOSFET器件對(duì)門極驅(qū)動(dòng)電路的要求如

下：

(1)通常IGBT和功率MOSFET的門極電壓最大定額為士20v,若超過(guò)此值，門極就會(huì)被擊穿，導(dǎo)致器件

損壞。為防止門極過(guò)壓，可采用稔壓管作保護(hù)。

(2)這兩種器件都存在2.5-5V的門極閉值電壓，驅(qū)動(dòng)信號(hào)低于此閉值電壓時(shí)，器件是不導(dǎo)通的。要使

器件導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須大于其闡值電壓。當(dāng)要求功率器件工作子開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須保證器件工

作于飽和狀態(tài)，否則也會(huì)造成器件損壞。正向門極驅(qū)動(dòng)電壓幅值的選取應(yīng)考慮在額定運(yùn)行及一定過(guò)載情況

下器件不退出飽和為前提，正向門極電壓愈高、通態(tài)壓降愈小，通態(tài)損耗愈小，對(duì)無(wú)短路保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路,

物動(dòng)電壓圖一些有好處，可使器件在各種過(guò)流場(chǎng)合仍J-作于飽和狀態(tài)。通常，止向U極電壓取15Y在有短

路保護(hù)的場(chǎng)合，不希望器件工作干過(guò)飽和狀態(tài)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓小一些，可減小短路電流，對(duì)短路保護(hù)有好

處。有短路保護(hù)的場(chǎng)合，門極電壓取13V較合適。

另外，為了減小開(kāi)通損耗，門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿要陡。IGBT和功率MOSFET的門極等效為一電容負(fù)載,

所以要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的內(nèi)阻要小。

(3)當(dāng)門極信號(hào)低于門極闡值電壓時(shí)，器件就關(guān)斷了。為了縮短器件的關(guān)斷時(shí)間.關(guān)斷過(guò)程中應(yīng)盡快放

掉門極輸入電容上的電荷-器件關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供低阻抗的放電通或門極反抽電路。一般門極反向

電壓取(5—TO)V.當(dāng)器件關(guān)斷后門極加上一定幅值的反壓可提高抗干擾能力。

(4)IGBT門極及發(fā)射極(對(duì)MSS器件而言是門極及源極)之間是絕緣的，不需要穩(wěn)態(tài)輸入電流，

但由干存在門極輸入電容，所以驅(qū)動(dòng)電珞需提供動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電流。器件的電流定額愈大，輸入電容愈大；電壓

定額愈大，輸入電容也愈大，當(dāng)大功率器件作高頻運(yùn)行時(shí)，門極驅(qū)動(dòng)電流和驅(qū)動(dòng)功率也是不小的，驅(qū)動(dòng)電

路必須能提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流和功率.

(5)IGBT和功率MOSFET是高速開(kāi)關(guān)器件，在大電流的運(yùn)行場(chǎng)合，關(guān)斷時(shí)間不宜過(guò)短、否則會(huì)產(chǎn)生過(guò)

高的集電極尖峰電壓。門極電阻對(duì)IGIT和功率MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間有直接的影響。門極電阻過(guò)小，關(guān)斷時(shí)

間過(guò)短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過(guò)高，對(duì)器件造成危險(xiǎn)，所以門極電阻的下限受到器件的關(guān)斷安全

區(qū)的限制。門極極電阻過(guò)大，器件的開(kāi)關(guān)速度降低，開(kāi)關(guān)損耗增大，也會(huì)對(duì)器件的安全運(yùn)行造成危險(xiǎn)，所

以門極電阻Rg的上限受到開(kāi)關(guān)損耗的限制。

(6)驅(qū)動(dòng)電路及控制電路之間應(yīng)隔離。驅(qū)動(dòng)電路及門極之間的引線應(yīng)盡可能短，并用絞線，使門極電

路的閉合電路面積最小，以防止感應(yīng)噪聲的影響。采用光藕器件隔離時(shí)，應(yīng)選用高的共模噪聲抑制器件，

能耐高電壓變化率。

小結(jié)：1.電流型驅(qū)動(dòng)器件的驅(qū)動(dòng)電路的控制

2.電區(qū)型驅(qū)動(dòng)器件的驅(qū)動(dòng)電路的要求

作業(yè)布置：

審批：

后記：

周次：

時(shí)間：

課題：第二節(jié)電力電子器件的保護(hù)

課時(shí)：2課時(shí)

教學(xué)目標(biāo)：

1掌握過(guò)電壓產(chǎn)生的原因和分類

2掌握過(guò)電壓保護(hù)措施

3掌握過(guò)電流產(chǎn)生的原因和分類

4掌握過(guò)電流保護(hù)措施

重點(diǎn)、難點(diǎn)：過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)的措施

教具：教材

教學(xué)方法：講授法

時(shí)間分配：回顧10分鐘新授70分鐘小結(jié)15分鐘作業(yè)布置5分鐘

教學(xué)過(guò)程：

電力電子器件的保護(hù)

相關(guān)知識(shí)

一、過(guò)電壓保護(hù)

1過(guò)電壓產(chǎn)生的原因及分類

電力電子裝置可能的過(guò)電壓一一外因過(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)中的操

作過(guò)程等外因。

(1)操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起。

(2)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：晶閘管或及全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而

有較大的反向電流流過(guò)，當(dāng)恢更了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(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。

2過(guò)電壓的保護(hù)措施

過(guò)電壓抑制措施及配置位置

:、過(guò)電流保護(hù)

電力電子電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流。過(guò)電流分過(guò)載和短路兩種情況。圖中

給出了各種過(guò)電流保護(hù)措施及其配宣

位置，其中采用快速熔斷器、直流快速

斷路器和過(guò)電流維電器是較為常用的

措施。一般電力電子裝置均同時(shí)采用幾

種過(guò)電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠

性和合理性。在選擇各種保護(hù)措施時(shí)應(yīng)

注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第一保護(hù)措施，快速熔斷器僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，宜流快

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。

采用快速熔斷器（筒稱快熔）是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施。在選擇快熔

時(shí)應(yīng)考慮：

1）電位等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來(lái)確定。

2）電流容量應(yīng)按其在主電路中的接人方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊?般及電力半導(dǎo)體器件串聯(lián)連

接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。

3）快熔的It值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許It,值。

變壓器電流互感器快，熔淅號(hào)變流彳直流快速斷路器

，午一鳥(niǎo)

交流斷踹器—QD

j」口電流檢測(cè)L-一~■

駛卻短壁器［畫(huà)T應(yīng)胸卜

動(dòng)作電流“電子保護(hù)電路

整定值

過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置

4）為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性?？烊蹖?duì)器件的保護(hù)方式可分為

全保護(hù)和短路保護(hù)兩種。全保護(hù)是指不論過(guò)載還是短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，此方式只適用于小功率裝置或

器件使用裕度較大的場(chǎng)合。短路保護(hù)方式是指快熔只在短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護(hù)作用，此方式需及其

他過(guò)電流保護(hù)措施相配合。快熔電流容量的具體選擇方法可參考有關(guān)的工程手冊(cè)。

對(duì)一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或者工作頻率較高、很難用快速熔斷器保護(hù)的全控型器件，

需要采用電子電路進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。除了對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的沖擊電流等變化較慢的過(guò)電流可以利用控制系統(tǒng)

本身調(diào)節(jié)器對(duì)電流的限制作用之外，需設(shè)置專門的過(guò)電流保護(hù)電子電路，檢測(cè)到過(guò)流之后直接調(diào)節(jié)觸發(fā)或

驅(qū)動(dòng)電路，或者關(guān)斷被保護(hù)器件0

此外，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)，這對(duì)器件過(guò)電流的響應(yīng)是最快的。

小結(jié)：1.電力電子器件的過(guò)電壓及過(guò)電流產(chǎn)生的原因有哪些。

2一電力電子器件的過(guò)電片和過(guò)電流保護(hù)有哪些措施.

作業(yè)布置：

審批：

后記:

周次:

時(shí)間:

課題：第三節(jié)電力電子器件的緩沖電蹲

第四節(jié)電力電子器件的串、并聯(lián)使用

課時(shí)：2課時(shí)

教學(xué)目標(biāo)：1、認(rèn)識(shí)什么是緩沖電路

2、掌握耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路的工作方式

3、掌握晶閘管串、并聯(lián)使月的方法

重點(diǎn)、難點(diǎn)：耗能式緩沖電路的工作原理

教具：教材

教學(xué)方法：講授法

時(shí)間分配：回顧10分鐘新授70分鐘小結(jié)15分鐘作業(yè)布置5分鐘

教學(xué)過(guò)程：

電力電子器件的緩沖電路

相關(guān)知識(shí)

緩沖電路（SnubberCircuit）

緩沖電路（吸收電路）：抑制器件的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt.過(guò)電流和d〃d￡,減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。

關(guān)斷緩沖電路（d〃/df抑制電路）一一吸收器件的關(guān)斷過(guò)電壓和換相過(guò)電壓，抑制du/db減小關(guān)斷損

耗。開(kāi)通緩沖電路（d〃北抑制電路）一一抑制器件開(kāi)通時(shí)的電流過(guò)沖和d〃d￡,減小器件的開(kāi)通損耗。

將關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路結(jié)合在一起一一復(fù)合緩沖電路。

其他分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無(wú)損吸收電路）。

通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開(kāi)通緩沖電路叫做抑制電路。

緩沖電路作用分析

無(wú)緩沖電路：

V開(kāi)通時(shí)電流迅速上升，d〃d￡很大。

關(guān)斷時(shí)dWdl很大，并出現(xiàn)很高的過(guò)電壓。

有緩沖電路：

V開(kāi)通時(shí)：C通過(guò)吊向V放電，使人先上一個(gè)臺(tái)階，以后因有心力上升速度減慢。

V關(guān)斷時(shí)：負(fù)載電流通過(guò)VD,向C分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了du/dr和過(guò)電壓。

緩沖電路中的元件選取及其他注意事項(xiàng)

G和兄的取值可實(shí)驗(yàn)確定或參考工程手冊(cè)。

VD“必須選用快恢復(fù)二極管，額定電流不小于主電路器件的1/10。

盡量減小線路電感，.且選用內(nèi)部電感小的吸收電容。

中小容量場(chǎng)合，若線路電感較小，可只在直流側(cè)設(shè)一個(gè)du/df抑制電路。

對(duì)IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個(gè)吸收電容。

晶閘管在實(shí)用中一般只承受換相過(guò)電壓，沒(méi)有關(guān)斷過(guò)電壓，關(guān)斷時(shí)也沒(méi)有較大的dWd2,一般采用RC吸

收電路即可。

電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

晶閘管的串聯(lián)

目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián)。

問(wèn)題：理想串聯(lián)希望罌件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻。

靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過(guò)的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等。

承受電壓高的器件首先達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個(gè)器件承擔(dān)全部電壓也導(dǎo)通，失去控制作用。

反向時(shí)，可能使其中一個(gè)器件先反向擊穿，另一個(gè)隨之擊穿。

晶閘管的串聯(lián)

靜態(tài)均壓措施：

選用參數(shù)和特性盡量一致的器件

采用電阻均壓，K，的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多。

動(dòng)態(tài)不均壓一一由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓。

動(dòng)態(tài)均壓措施：

選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件。

用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓。

采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開(kāi)通時(shí)間上的差異。

晶閘管的并聯(lián)

目的：多個(gè)器件并聯(lián)來(lái)承擔(dān)較大的電流

問(wèn)題：會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻。

均流措施：

挑選特性參數(shù)盡量一致的器件。

采用均流電抗器。

用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流。

當(dāng)需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。

電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)

電力VOSFET并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn):

心具有正溫度系數(shù)，具有電流自動(dòng)均衡的能力，容易并聯(lián)。

注意選用幾,、“、&和盡量相近的器件并聯(lián)。

電路走線和布局應(yīng)盡量對(duì)稱。

可在源極電路中串入小電感，起到均流電抗器的作用。

IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)：

在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負(fù)的溫度系數(shù)。

在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)。

并聯(lián)使用時(shí)也具有電流的自動(dòng)均衡能力，易于并聯(lián)。

小結(jié)：1.什么是電力電子器件的緩沖電路

2有緩沖電路和無(wú)緩沖電路有什么不同

3.電力電子器件串、并聯(lián)的使用方法

作業(yè)作置：

審批：

后記：

周次:

時(shí)間：

課題：第四章第一節(jié)單相半波可控整流電路

課時(shí)：2課時(shí)

教學(xué)目標(biāo)：1、掌握單相半波可控整流電路的工作原理

2、掌握不同負(fù)載下半波可控整流電路的整流情況

3、會(huì)對(duì)單相半波可控整流電路的主要參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算

重點(diǎn)、難點(diǎn)：?jiǎn)蜗喟氩煽卣麟娐返墓ぷ髟?/p>

教具：教材

教學(xué)方法：講授法

時(shí)間分配：回顧10分鐘新授70分鐘小結(jié)15分鐘作業(yè)布置5分鐘

教學(xué)過(guò)程：

相關(guān)知識(shí)

帶電阻負(fù)載的工作情況

變壓器T起變換電壓和隔離的作用

電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓及電流成正比，兩者波形相同。

基本數(shù)量關(guān)系

首先，引入兩個(gè)重要的基本概念：

觸發(fā)延遲角：從晶閘管開(kāi)始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度，用表示，也稱觸發(fā)角或控制

角。

導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為，用〃表示。

直流輸出電壓平均值為

VT的a移相范圍為180°這種通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控

b)

c)

d)

e)

制方式，筒稱相控方式。2.帶阻感負(fù)載的工作情況

阻感負(fù)載的特點(diǎn)：電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不發(fā)生突變。

電力電子電路的一種基本分析方法通過(guò)器件的理想化，將電路簡(jiǎn)化為分段線性電路，分段進(jìn)行分析

計(jì)算。

對(duì)單相半波電路的分析可基于上述方法進(jìn)行：

當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí)，相當(dāng)于電路在VT處斷開(kāi)，加=0。

當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，相當(dāng)于VT短路。

當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，如下方程成立：

初始條件：少尸，/d=0o求解式

coL

(2-2)并將初始兩目J而得(〃這尸6?=arctan——

R

當(dāng)&過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDH導(dǎo)通，4為零V此時(shí)為負(fù)的s通過(guò)V以向VT施加反壓使其關(guān)斷，L儲(chǔ)存的能量保證了

電流入在L-R-VDK回路中流通，此過(guò)程通常稱為續(xù)流。續(xù)流期間凡為零，所中不再出現(xiàn)負(fù)的部分。

數(shù)量關(guān)系若近似認(rèn)為M為一條水平線，恒為小，則有

/VT=5=

欄。d(M)=再laat詈匕

小結(jié)：1.單相半波可控整流電路在電阻負(fù)載下的工作情況

2、單相半波可控整流電路在其他負(fù)載下的工作情況

作業(yè)布置：

審批：

后記:

周次：

時(shí)間：

課題：第二節(jié)單相橋式可控整流電路

課時(shí)：2課時(shí)

教學(xué)目標(biāo)：1、掌握單相橋式可控整流電路的工作原理

2、掌握不同負(fù)載下單相橋式可控整流電路的整流情況

3、會(huì)對(duì)單相橋式可控整流電路的主要參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算

重點(diǎn)、難點(diǎn)：?jiǎn)蜗鄻蚴娇煽卣麟娐返墓ぷ髟?/p>

教具：教材

教學(xué)方法：講授法

時(shí)間分配：回顧10分鐘新授70分鐘小結(jié)15分鐘作業(yè)布置5分鐘

教學(xué)過(guò)程：

相關(guān)知識(shí)

1.帶電阻負(fù)載的工作情況

工作原理及波形分析

和VT,組成一對(duì)橋臂，在近正半周承受電壓處得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)s過(guò)零時(shí)關(guān)斷。

VT二和VR組成另一對(duì)橋臂，在比正半周承受電壓-華，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)s過(guò)零時(shí)關(guān)斷。

ri1?2V2t/21+cosa1+cosa

Ud=-Jyj2U2sincotd(cot)=-------------------=0.9%----------

數(shù)量關(guān)系a角的移相范圍為180°。

4VT=1=@45U21+COS/T

T-2-

向負(fù)載輸出的平均電流值為:

流過(guò)晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：

rUd2廊21+cosa八cU3+cosa

/d=—=--------------------=0.9-------------

RTTR2R2

2.帶阻感負(fù)載的工作情況為便于討論，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，力的平均值不變。

假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流力連續(xù)且波形近似為一水平線。

他過(guò)零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管VTi和VT4中仍流過(guò)電流/山并不關(guān)斷。

至3廠尸時(shí)刻，給VT2和仃3加觸發(fā)脈沖，因叮2和\13本己承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。

VT2和VT3導(dǎo)通后，U2通過(guò)VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VTj和VT4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。3.帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況

在|戈|>/時(shí)，才行晶閘管承受正電壓，：行導(dǎo)通的可能。導(dǎo)通之后，叼=吃，直至I屹1=心功即降至。使

晶閘管關(guān)斷，此后％=￡。及電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度6停止導(dǎo)電，￡稱為停止導(dǎo)電角。在a

角相同時(shí).，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

將很軟.為了克服此缺點(diǎn)，?般在

主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)?個(gè)平波電抗器，用來(lái)減少電流的脈動(dòng)和延長(zhǎng)晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間。

這時(shí)整流電壓用的波形和負(fù)載電流力的波形及電感負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的波形相同，必的計(jì)算公式亦一樣。

為保證電流連續(xù)所需的電感量￡可求出

單相全波及單相全控橋從宜流輸出端或從交流輸入端看均是基本?致的。

變壓器不存在宜流磁化的問(wèn)題。單相全波及單相全控橋的區(qū)別

(1)單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較受雜，繞組及鐵芯對(duì)銅、鐵等材料的消耗多。

(2)單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，相應(yīng)地，門極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)：但是晶閘管承

受的最大電壓為，走單相全控橋的2倍。

(3)單相全波導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶間管，比單相橋少1個(gè)，因而管壓降也少】個(gè)。

從上述(2)、(3)考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場(chǎng)合應(yīng)用。

單相全控橋中，每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，為了對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路