【正文】 電力電子技術(shù) 教案 1 周次： 時間： 課題：緒論 第一章 第一節(jié) 電力二極管 課時： 2課時 教學(xué)目標(biāo)： 了解什么是電力電子技術(shù) 電力二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性 掌握掌握電力二極管的主要參數(shù)和使用 重點、難點：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)過程： 緒論 相關(guān)知識 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，就是使用電力電子器件對電能進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MW 甚至 GVV，也可以小到數(shù) W 甚至 1W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，需要進行電力變換。如表 01所示，電力變換通?？煞譃樗拇箢悾唇涣髯冎绷?、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。直流變直流是指一種電壓 (或電流 )的直流變?yōu)榱硪环N電壓 (或電流 )的直流，可用直流斬波電路實現(xiàn)。 2 交流變交流可以是電壓或電力的變換，稱做交流電力控制，也可以是頻率或相數(shù)的變換。進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)展簡介 （ 1）雙極型器件 （ 2）單極 型器件 （ 3）混合型器件 三、變換電路與控制技術(shù) 四、對本課程的教學(xué)要求 第一節(jié) 電力二極管 相關(guān)知識 一、 結(jié)構(gòu)與伏安特性 結(jié)構(gòu) 電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與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。電力二極管實際上是由一個面積較大的 PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的，圖 12示出了電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號。從外形上看，電力二極管 主要有螺性型和平板型兩種封裝。 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 )，正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流 IF 對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓 UF 即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。 3 二、主要參數(shù) 正向平均電流 IF 指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度 (簡稱殼溫，用 Tc表示 )和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 UF 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。有時候，其參數(shù)表中 也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時電力二極管的最大瞬時正向壓降。 Urrm 指對電力二極管所能重復(fù)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，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選定此項參數(shù)。 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 125一 175℃范圍之內(nèi)。 反向恢復(fù)時間 t IFSM 指電力二極管所能承受 的最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。 三、 電力二極管的參數(shù)選擇及使用注意事項 參數(shù)選擇 4 1） 額定正向平均電流 IF的選擇原則 2） 額定電壓 Urrm的選擇原則 電力二極管使用注意事項 四、 電力二極管的主要類型 普通二極管 (General Purpose Diode)又稱整流二極管 ( Rectifier Diade}，多用于開關(guān)頻率不高（ 1 kHz以下 )的整流電路中。其反向恢復(fù)時間較長，一般在 5微秒以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要，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到 很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。 恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短〔一般在 5微秒以下 )的二極管被稱為快恢復(fù)二極管 (Fast Recovery DiadeFRD)，簡稱快速二極管。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)，也有的采用對此加以改進的 PiIV 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 }（ Fast Recaery Epitaxial DiodeFRED)，其反向恢復(fù)時間更短 (可低于 50ns)，正向壓降也很低 ( )，但其反 向耐壓多在 1200 V以下。不管是什么結(jié)構(gòu)，快恢復(fù)二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到 2030ns。 3，肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管( Schottky Barrier L3iadSBD} ,簡稱為肖特基二極管。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，由于工藝的發(fā)展才得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用。與以 PIU 結(jié)為基礎(chǔ)的電 力二極管相比，肖特基二極管的優(yōu)點在于 :反向恢復(fù)時間很短 ( 10 40ns，正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖 。在反向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。因此，其開關(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在于 :當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合 。反向漏電流較大且對溫度敏感，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)： 5 本課程所學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容。 掌握電力二極管的結(jié)構(gòu)和伏安特性。 學(xué)習(xí)電力二極管的主要參數(shù)和選擇。 認識電力二極管的主要類型。 作業(yè)布置： 審批： 后記： 6 周次： 時間： 課題： 晶閘管 課時： 2課時 教學(xué)目標(biāo)： 了解晶閘管的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)通、關(guān)斷條件。 掌握晶閘管的工作原理。 掌握主要參數(shù)。 重點、難點：晶閘管的工作原理 教具：教材 粉筆 教學(xué)方法：講授法 時間分配：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)過程： 第二節(jié) 晶閘管 任務(wù)導(dǎo)入 相關(guān)知識 一、結(jié)構(gòu) 外形有螺栓型和平板型兩種封裝 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)接且安裝方便 平板型封裝的晶閘管可由兩個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)射極電流建立起來之后， ? 迅速增大。 阻斷狀態(tài)： IG=0， ?1+?2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。 AAGGKKb) c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 7 開通（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 ?1+?2趨近于 1的話，流過晶閘管的電流 IA（ 陽極電流）將趨近于 無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。 IA實際由外電路決定。 其他幾種可能導(dǎo)通的情況 ： 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)。 陽極電壓上升率 du/dt過高。 結(jié)溫較高。 光直接照射硅片，即 光觸發(fā)。 光觸發(fā)可以保證控制電路與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)用于實踐，稱為 光控晶閘管 （ Light Triggered Thyristor—— 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 簡單歸納晶閘管正常工作時的特性如下： 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(dǎo)通。 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。 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 。 晶閘管的伏安特性 第 I象限的是正向特性 第 III象限的是反向特性 正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡ + UA UA IAIAIHIG2IG1IG= 0UboUD S MUD R MURRMUR S M 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 8 1) 正向特性 IG=0時，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，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓 Ubo， 則漏電流急劇增大，器件開通。 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 1V左右。 導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值 IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。 IH稱為維持電流。 2) 反向特性 晶閘管上施加反向電壓時，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，只有極小的反相漏電流流過。 當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反 向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 2. 動態(tài)特性 100%90%10%uAKttO0 t dtrtrrtgrURRMIRMiA 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形 1) 開通過程 9 延遲時間 td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的 10%的時間。 上升時間 tr：陽極電流從 10%上升到穩(wěn)態(tài)值的 90%所需的時間。 開通時間 tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （ 16） 普通晶閘管延遲時為 ~?s，上升時間為 ~3?s。 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形 2) 關(guān)斷過程 反向阻斷恢復(fù)時間 trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間 正向阻斷恢復(fù)時間 tgr：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間 在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)ā? 實際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。 關(guān)斷時間 tq： trr與 tgr之和，即 tq=trr+tgr , 普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。 三、晶閘管的主要參數(shù) 1. 電壓定額 1) 通態(tài)平均電流 IT(AV) —— 晶閘管在環(huán)境溫度為 40176。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 。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。 2) 維持電流 IH : —— 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則 IH越小。 3) 擎住電流 IL —— 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流對同一晶閘管來說，通常 IL約為 IH 的 2~4倍。 4) 浪涌電流 ITSM—— 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過 載電流 。 2. 電流定額 1) 通態(tài)平均電流 IT(AV) 2) 維持電流 IH 3) 擎住電流 IL 4) 浪涌電流 ITSM 3. 動態(tài)參數(shù) 除開通時間 tgt 和關(guān)斷時間 tq 外，還有： (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率 du/dt 在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當(dāng)于一個電容的 J2 結(jié)會有充電電流流過，被稱為 位移電流 。此電流流經(jīng) J3 結(jié)時，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 (2) 通態(tài)電流 臨界上升率 di/dt 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會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)