电力电子技术课程教案第2讲课时2理论课M课程类别实训课口实验课口习题课口其他口安排授课题目2.1电力电子器件概述2.2不控型器件一电力二极管教学目的、要求1.掌握电力电子器件的概念和特征；2.熟悉应用电力电子器件的系统组成：3.了解电力电子器件的分类；4.掌握电力二极管的工作特性。教学重点及难点重点：器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。难点：基本特性及电力电子器件的两个基本要求。方法及手教学过程段导入：学习通+复习回顾：信息电子技术中半导体及二极管相关知识。新授：课件1.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念和特征I主电路（MainPowerCircuit）一一电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路，电力电子器件（PowerElectronicDevice）一可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。I两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（MercuryArcRectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。V电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：S1）处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级；2）电力电子器件一般都工作在开关状态：3）电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制：4）不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。1.1.2应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。3
3 电力电子技术 课程教案 第 2 讲 课程类别 理论课√ 实训课□ 实验课□ 习题课□ 其他□ 课时 安排 2 授课题目 2.1 电力电子器件概述 2.2 不控型器件—电力二极管 教学目的、要求 1.掌握电力电子器件的概念和特征； 2.熟悉应用电力电子器件的系统组成； 3.了解电力电子器件的分类； 4.掌握电力二极管的工作特性。 教学重点及难点 重点：器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。 难点：基本特性及电力电子器件的两个基本要求。 教 学 过 程 方法及手 段 导入： 复习回顾：信息电子技术中半导体及二极管相关知识。 新授： 1.1 电力电子器件概述 1.1.1 电力电子器件的概念和特征 主电路（Main Power Circuit）——电气设备或电力系统中，直接承担电能的 变换或控制任务的电路。 电力电子器件（Power Electronic Device）——可直接用于处理电能的主电路 中，实现电能的变换或控制的电子器件。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。 两类中，自 20 世纪 50 年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率 高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力 电子器件目前也往往专指电力半导体器件。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征： 1）处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级； 2）电力电子器件一般都工作在开关状态； 3）电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制； 4）不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成 电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。 · 学习通 + 课件
控1主电路1.1.3电力电子器件的分类>按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：>半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，如晶闸管：；>全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件，包括绝缘栅双极晶体管IGBT、电力场效应晶体管MOSFET以及门极可关断晶闸管GTO：不可控器件：不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路，如电力二极管。（2）按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：>电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制；>电压驱动型：仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。（3）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：>单极型器件：由一种载流子参与导电的器件；>双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件：>复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。1.2不可控器件一电力二极管1.2.1PN结与电力二极管的工作原理PNbPN结的单向导电性：二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流：>引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；>承受的电流变化率dild/较大；>为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。1.2.2电力二极管的基本特性142TOU（1）静态特性：伏安特性当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显4
4 控 制 电 路 检测 电路 驱动 电路 L R 主电路 V1 V2 1.1.3 电力电子器件的分类 按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： 半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，如晶闸管； 全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件， 包括绝缘栅双极晶体管IGBT、电力场效应晶体管MOSFET以及门极可关断晶闸管GTO； 不可控器件：不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路，如电 力二极管。 （2）按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类： 电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制； 电压驱动型：仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通 或者关断的控制。 （3）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类： 单极型器件：由一种载流子参与导电的器件； 双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件； 复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 。 1.2不可控器件—电力二极管 1.2.1 PN 结与电力二极管的工作原理 A K A K a) I A K P N J b) c) PN结的单向导电性：二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。 造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流； 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响； 承受的电流变化率di/dt较大； 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。 1.2.2 电力二极管的基本特性 I O IF UTO UF U （1）静态特性：伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显
增加，处于稳定导通状态。与正向电流对应的电力二极管两端的电压U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。（2）动态特性：因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压一电流特性是随时间变化的。（3）开关特性：反映通态和断态之间的转换过程。lFdirdrUF2Ub)a)电力二极管的正向压降先出现一个过冲UrP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间fr。1.2.3电力二极管的主要参数（1）正向平均电流I(AV)在指定的管壳温度（简称壳温，用Tc表示）和散热条件下，其充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。（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。（4）最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用T表示，最高工作结温TIM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，TiM通常在125~175°C范围之内。（5）反向恢复时间trt=1a+t，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。（6）浪涌电流IFsM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。1.2.4电力二极管的主要类型>普通二极管（GeneralPurposeDiode）>快恢复二极管（FastRecoveryDiode一FRD)>肖特基二极管作业和思考题：教学反思：课堂教学如果添加仿真动态演示环节会更好5
5 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。 （2）动态特性：因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程 中的电压—电流特性是随时间变化的。 （3）开关特性：反映通态和断态之间的转换过程。 b) UFP u i iF uF tfr 0 t 2V a) IF UF tF t0 trr td tf t1 t2 t UR URP IRP diF dt diR dt 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的 某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 1.2.3 电力二极管的主要参数 （1）正向平均电流IF(AV) 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。 （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。 （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TJM是指在PN结不致损坏 的前提下所能承受的最高平均温度，TJM通常在125~175C范围之内。 （5）反向恢复时间trr trr= td+ tf ，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间。 （6）浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 1.2.4 电力二极管的主要类型 普通二极管（General Purpose Diode） 快恢复二极管（Fast Recovery Diode— FRD） 肖特基二极管 作业和思考题： 教学反思： 课堂教学如果添加仿真动态演示环节会更好
电力电子技术课程教案第3讲课时2理论课M实训课口实验课口习题课口其他口课程类别安排授课题目2.3半控型器件一晶闸管教学目的、要求1.掌握晶闸管的工作原理、参数的确定和型号的选择，熟悉其基本特性，了解晶闸管的派生器件；2.熟悉可关断晶闸管（GTO）的结构和工作原理，了解有关特性和参数。教学重点及难点重点：晶闸管的额定电流、额定电压参数，晶闸管的额定电流计算，GTO的工作原理难点：晶闸管的额定电流计算和型号选择，几个重要参数的理解：方法及手教学过程段导入:多媒体、举例复习回忆：录像1.二极管的导通原理是什么？2.功率二极管的额定电流如何计算？3.功率二极管的伏安特性相比较有什么特点？新授：1.3半控型器件一晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，又称可控硅整流器（SiliconControlledRectifier-—SCR），1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品，1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的薪新时代，20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代，能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。1.3.1晶闸管的结构与工作原理>外形有螺栓型和平板型两种封装，>引出阳极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。工作原理：Iei=αiIA+IcBOI;Ie2=α2Ik+IcB02Ik=IA+IG : IA=le+le2
电力电子技术 课程教案 第 3 讲 课程类别 理论课√ 实训课□ 实验课□ 习题课□ 其他□ 课时 安排 2 授课题目 2.3 半控型器件—晶闸管 教学目的、要求 1.掌握晶闸管的工作原理、参数的确定和型号的选择，熟悉其基本特性，了解晶闸管的派生器件； 2.熟悉可关断晶闸管（GTO）的结构和工作原理，了解有关特性和参数。 教学重点及难点 重点：晶闸管的额定电流、额定电压参数，晶闸管的额定电流计算，GTO 的工作原理； 难点：晶闸管的额定电流计算和型号选择，几个重要参数的理解； 教 学 过 程 方法及手 段 导入： 复习回忆： 1．二极管的导通原理是什么？ 2．功率二极管的额定电流如何计算？ 3．功率二极管的伏安特性相比较有什么特点？ 新授： 1.3 半控型器件—晶闸管 晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，又称可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR），1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管，1957年美国通 用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品，1958年商业化，开辟了电力电子技术迅 速发展和广泛应用的崭新时代，20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取 代，能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 外形有螺栓型和平板型两种封装， 引出阳极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。 A A G G K K a ) b) c) A G K K G A P 1 N 1 P 2 N 2 J 1 J 2 J 3 工作原理： Ic1=1 IA + ICBO1；Ic2=2 IK + ICBO2； IK=IA+IG ；IA=Ic1+Ic2。 多媒体、 举例 录像
0NPMN2OMb)a)>式中αi和α2分别是晶体管V和V2的共基极电流增益：IcBOi和IcBO2分别是V.和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）～（1-4）可得I = gle+ /ceou leo1-(α, +α,)>晶体管的特性是：在低发射极电流下α是很小的，而当发射极电流建立起来之后，α迅速增大。>阻断状态：IG=0，αi+α2很小，流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。>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α+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。I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的数值造成雪崩效应；>阳极电压上升率duldt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之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor--LTTY>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。晶闸管正常工作时的特性总结：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，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。1.3.2晶闸管的基本特性IAt正向导通0uURSMURRMUoe U +t0UUosM雪崩击穿-（1）正向特性7
7 R NPN PNP A G S K E G IG E A IK I c2 I c1 IA V 1 V 2 P1 A G K N 1 P2 P2 N 1 N 2 a) b) 式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2 的共基极漏电流。由以上式（1-1）~（1-4）可得 1 ( ) 1 2 2 G CBO1 CBO2 A I I I I 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。 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之外，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 Thyristor——LTT） 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。 晶闸管正常工作时的特性总结： 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，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。 1.3.2 晶闸管的基本特性 正向 导通 雪崩 击穿 O +UA - UA -I A I A I H I G2 I G1 I G=0 Ubo UDSM UDRM URSMURRM 正向 导通 雪崩 击穿 O +UA - UA -I A I A I H I G2 I G1 I G=0 Ubo UDSM UDRM URSMURRM （1）正向特性