完整电力电子技术教案

1、电力电子技术教案周次：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。交流变交流可以是电压或电力的变

3、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 电力二极管的静态特性

4、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。 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的最大瞬时正向压降。3.反向重复峰值

5、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1） 额定正向平均电流IF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

6、、 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

7、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( Schottky 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

8、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：1、 本课程所学习的主要内容。2、 掌握电力二极

9、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：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

10、热器将其夹在中间晶体管的特性是：在低发射极电流下a 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，a 迅速增大。 阻断状态：IG=0，a1+a2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a1+a2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，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管

11、（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象限的是反向特性晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG1) 正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向

12、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，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. 动态特性晶闸管的开通和关断

13、过程波形1) 开通过程延迟时间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+ tr （1-6）普通晶闸管延迟时为0.51.5ms，上升时间为0.53ms。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

14、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 IT(AV) 晶闸管在环境温度为40°C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

15、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 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

16、导通 。(2) 通态电流临界上升率di/dtØ 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：周次：时间：课题：第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管 第二章 第一节 门极关断晶闸管课时：2课时教学目标：1、了解双向晶闸管及其他派生晶闸管的简单原理 2、了解GTO的基本结构和工作原理 3、掌握GTO的特性和主要参数重点、难点：GTO的工作原理和特性教具：教材教学方法：讲

17、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：第三节 双向晶闸管及其派生晶闸管任务导入相关知识晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理1. 快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST）包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10ms左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发

18、热效应。2.双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）3. 逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）4. 光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）第二章 第一节 GTO1. GTO的结构和工作原理结构：与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图

19、1-7所示的双晶体管模型来分析。 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：由上述分析我们可以得到以下结论：GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使 IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使a1+a2<1时，器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。2. GTO的动态特性开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr。关断过程：与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的

20、大量载流子储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小下降时间tf 。残存载流子复合尾部时间tt 。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短。门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间 。3. GTO的主要参数最大可关断阳极电流IATO术语用法：电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。在电力电子技术的

21、范围内，GTR与BJT这两个名称等效。  应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。小结：本节主要讲述了GTO的结构和工作原理，工作原理和普通晶闸管做比较让学生更好的掌握GTO 的工作原理，在此基础上学习GTO的特性和主要参数。作业布置：审批：后记：周次：时间：课题：第二节 电力晶闸管第三节 电力场效应晶闸管课时：2课时教学目标：1、简单了解电力晶闸管的结构和工作原理 2、掌握电力场效应晶闸管的结构和工作原理 3、掌握电力场效应晶闸管的特性和参数重点、难点：电力场效应晶闸管的工作原理教具：教材教学方法：讲授法时间分

22、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：1. GTR的结构和工作原理在应用中，GTR一般采用共发射极接法。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic=b ib +Iceo ，产品说明书中通常给直流电流增益hFE在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为b»hFE 。单管GTR的b 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。2. GTR的基本特性 (1)  静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止

23、区或饱和区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区(2)  动态特性开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程 。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff 。ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uc

24、es增加，从而增大通态损耗。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。3. GTR的主要参数 前已述及：电流放大倍数b、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff (此外还有)：1) 最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿，击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。 2) 集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所

25、对应的Ic，实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 3) 集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。4. GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。安全工作区（Safe Operating AreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM

26、、二次击穿临界线限定。也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET）1. 电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道2. 电力MOSFET主要是N沟道增强型电力MOSFET的结构小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOS

27、FET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失

28、，漏极和源极导电 。1) 静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。MOSFET的漏极伏安特性：截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应于GTR的饱和区）电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。2)  动态特性开通过程开通延迟时间td(on) up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时

29、间段。上升时间tr uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和。关断过程关断延迟时间td(off) up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段。下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS<UT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段。关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和。MOSFET的开关速度MOSFE

30、T的开关速度和Cin充放电有很大关系。使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。小结：本节主要简单了解电力晶闸管的工作原理和掌握电力场效应晶闸管的工作原理及特性并与其他晶闸管做比较。作业布置：审批：后记：周次：时间：课题：第四节 绝缘栅双极晶闸管课时：2课时教学目标：1 掌握绝缘栅双极晶

31、闸管的结构和工作原理2 掌握绝缘栅双极晶闸管的特性3掌握绝缘栅双极晶闸管的主要参数重点、难点：1.绝缘栅双及晶闸管的工作原理2绝缘栅双极晶闸管的擎住效应和安全工作区教具：教材教学方法：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：第四节 绝缘栅双极晶闸管 相关知识GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件  绝缘栅双

32、极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。1. IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EIGBT的结构图2-17N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1。使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率

33、进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。2. IGBT的基本特性 1) IGBT的静态特性转

34、移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25°C时，UGE(th)的值一般为26V。输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系。分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。uCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态。2)   IGBT的动态特性  IGBT的开通过程       与MOSFET的相似，

35、因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行。开通延迟时间td(on) 从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10% ICM²  。     电流上升时间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和。uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。IGBT的关断过程关断延迟时间td(off) 从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%

36、ICM 。电流下降时间iC从90%ICM下降至10%ICM 。关断时间toff关断延迟时间与电流下降之和。电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。小结：1.IGBT的结构和工作原理2. IGBT的特

37、性和基本参数3. IGBT和其他晶闸管的比较作业布置：审批：后记：周次：时间：课题：第三章 第一节 典型全控型电力电子器件的驱动 课时：2课时教学目标：1 掌握电流驱动器件及驱动电路2 掌握电压驱动器件及驱动电路3 掌握电压驱动和电流驱动在什么条件下使用重点、难点：GTO的驱动原理教具：传感器模块教学方法：教材时间分配：新授20分钟 实操 80分钟 教学过程：回顾 10分钟 新授 70分钟 小结 15分钟 作业布置 5分钟第一节 典型全控型电力电子器件的驱动相关知识驱动电路主电路与控制电路之间的接口使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全

38、性都有重要的意义。 对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器。磁隔离的元件通常是脉冲变压器。按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。光耦合器的类型及基本接法一 电流驱动型器件的驱动电路 1.GTO和GTR是电流驱动型器件。 GTO

39、的开通控制与普通晶闸管相似，但对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流.使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，幅值需达阳极电流的1 /3左右，陡度需达50A/s，强负脉冲宽度约30s，负脉冲总宽约100s,关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压，以提高抗干。 推荐的GTO门极电压电流波形GTO一般用于大容量电路的场合，其驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器藕合式和直接藕合式两种类型。直接藕合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低。 使GT

40、R开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态，使之不进人放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值(6V左右)的负偏压。GTR驱动电流的前沿上升时间应小于1s，以保证它能快速开通和关断。理想的GTR基极驱动电流波形如图所示二 电压驱动型器件的驱动电路 1. IGBT和功率MOSFET对驱动电路的要求IGBT和功率MOSFET都是压控器件，门极输入阻抗高，所需驱动功率小，较GTO和大功率晶体管的门极驱动容易，IGBT和功率MOSFET器件对门极驱动电路的要求如下:(1)通常IGBT和功率MOSFET的门极电压最大定额为士

41、2Ov，若超过此值，门极就会被击穿，导致器件损坏。为防止门极过压，可采用稳压管作保护。(2)这两种器件都存在2.5 -5V的门极闭值电压，驱动信号低于此闭值电压时，器件是不导通的。要使器件导通，驱动信号必须大于其阐值电压。当要求功率器件工作子开关状态时，驱动信号必须保证器件工作于饱和状态，否则也会造成器件损坏。正向门极驱动电压幅值的选取应考虑在额定运行与一定过载情况下器件不退出饱和为前提，正向门极电压愈高、通态压降愈小，通态损耗愈小，对无短路保护的驱动电路，驱动电压高一些有好处，可使器件在各种过流场合仍工作于饱和状态。通常，正向门极电压取15V在有短路保护的场合，不希望器件工作干过饱和状态，因

42、为驱动电压小一些，可减小短路电流，对短路保护有好处。有短路保护的场合，门极电压取13V较合适。 另外，为了减小开通损耗，门极驱动信号的前沿要陡。IGBT和功率MOSFET的门极等效为一电容负载，所以要求驱动信号源的内阻要小。 (3)当门极信号低于门极阐值电压时，器件就关断了。为了缩短器件的关断时间.关断过程中应尽快放掉门极输入电容上的电荷·器件关断时，驱动电路应提供低阻抗的放电通或门极反抽电路。一般门极反向电压取(5-10)V .当器件关断后门极加上一定幅值的反压可提高抗干扰能力。 ( 4 ) IGBT门极与发射极(对MSS器件而言是门极与源极)之间是绝缘的，不需要稳态输入电流，但由

43、干存在门极输入电容，所以驱动电路需提供动态驱动电流。器件的电流定额愈大，输入电容愈大;电压定额愈大，输入电容也愈大，当大功率器件作高频运行时，门极驱动电流和驱动功率也是不小的 ,驱动电路必须能提供足够的驱动电流和功率。 （5）IGBT和功率MOSFET是高速开关器件，在大电流的运行场合，关断时间不宜过短、否则会产生过高的集电极尖峰电压。门极电阻对IGBT和功率MOSFET的开关时间有直接的影响。门极电阻过小，关断时间过短，关断时产生的集电极尖峰电压过高，对器件造成危险，所以门极电阻的下限受到器件的关断安全区的限制。门极极电阻过大，器件的开关速度降低，开关损耗增大，也会对器件的安全运行造成危险，

44、所以门极电阻Rg的上限受到开关损耗的限制。 (6)驱动电路与控制电路之间应隔离。驱动电路与门极之间的引线应尽可能短，并用绞线，使门极电路的闭合电路面积最小，以防止感应噪声的影响。采用光藕器件隔离时，应选用高的共模噪声抑制器件，能耐高电压变化率。小结：1.电流型驱动器件的驱动电路的控制 2.电压型驱动器件的驱动电路的要求作业布置：审批：后记：周次：时间：课题：第二节 电力电子器件的保护课时：2课时教学目标：1 掌握过电压产生的原因和分类2 掌握过电压保护措施3 掌握过电流产生的原因和分类4 掌握过电流保护措施重点、难点：过电压和过电流保护的措施教具：教材教学方法：讲授法时间分配：回顾 10分钟

45、新授 70分钟 小结 15分钟 作业布置 5分钟教学过程： 电力电子器件的保护 相关知识一、 过电压保护1过电压产生的原因及分类 电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因。 (1)  操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起。 (2)  雷击过电压：由雷击引起内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。 (1) 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。 (2) 关断过电压：全控型器件

46、关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 2过电压的保护措施过电压抑制措施及配置位置二、过电流保护 电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种情况。图中给出了各种过电流保护措施及其配置位置，其中采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。 采用快速熔断器(简称快熔)

47、是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。在选择快熔时应考虑:1）电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。2）电流容量应按其在主电路中的接人方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串接于阀侧交流母线或直流母线中。 3)快熔的It值应小于被保护器件的允许It，值。 4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。全保护是指不论过载还是短路均由快熔进行保护，此方式只适用于小功率装置或器件使用裕度较大的场合。短路保护方式是指快熔只在短路电流较大的区域内起保护作用，此方式需与其他过电流保

48、护措施相配合。快熔电流容量的具体选择方法可参考有关的工程手册。对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。除了对电动机起动的冲击电流等变化较慢的过电流可以利用控制系统本身调节器对电流的限制作用之外，需设置专门的过电流保护电子电路，检测到过流之后直接调节触发或驱动电路，或者关断被保护器件。此外，常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这对器件过电流的响应是最快的。小结：1.电力电子器件的过电压及过电流产生的原因有哪些。 2.电力电子器件的过电压和过电流保护有哪些措施。作业布置：审批：后记：周次：时间：课题：第三节

49、 电力电子器件的缓冲电路 第四节 电力电子器件的串、并联使用课时：2课时教学目标：1、认识什么是缓冲电路 2、掌握耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路的工作方式 3、掌握晶闸管串、并联使用的方法重点、难点：耗能式缓冲电路的工作原理教具：教材教学方法：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： 电力电子器件的缓冲电路相关知识缓冲电路（Snubber Circuit）缓冲电路（吸收电路）：抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗

50、。开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起复合缓冲电路。其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。缓冲电路作用分析无缓冲电路：V开通时电流迅速上升，di/dt很大。关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。有缓冲电路：V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢。V关断时：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。缓冲电路中的元件选取及其他注意事项Cs

51、和Rs的取值可实验确定或参考工程手册。VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10。尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容。中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路。 对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容。晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可。电力电子器件器件的串联和并联使用晶闸管的串联目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器

52、件分压不等。承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用。反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。晶闸管的串联静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。动态不均压由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件。用RC并联支路作动态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异。晶闸管的并联目的：多个器件并联来承担较大的电流问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。 均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。采用

53、均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。电力MOSFET和IGBT并联运行的特点电力MOSFET并联运行的特点：Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。  IGBT并联运行的特点：在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数。在以上的区段则具有正温度系数。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。小结：1.什么是电力电子器件的缓冲电路2有缓冲电路

54、和无缓冲电路有什么不同3. 电力电子器件串、并联的使用方法作业布置：审批：后记：周次：时间：课题：第四章 第一节 单相半波可控整流电路课时：2课时教学目标：1、掌握单相半波可控整流电路的工作原理 2、掌握不同负载下半波可控整流电路的整流情况 3、会对单相半波可控整流电路的主要参数进行简单的计算重点、难点：单相半波可控整流电路的工作原理教具：教材教学方法：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：相关知识带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和隔离的作用电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同 。基本数量关系首先，引入两个重要的基本概念：触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用表示 。直流输出电压平均值为 &#