电力电子技术教案讲稿

辽宁冶金职业技术学院教案

课程名称：电力电子技术

任课教师：_________________________________________

开课系部:_________________自控系_________________

授课班级:_________________________________________

开课教研室：自控教研室

开课学期20xx〜20xx学年度第一学期

辽宁冶金职业技术学院教案

课题名称绪论、§1.1电力电子器件概述、§12电力二极管

课次第（1）次课课时2

课型理论（，）；实验（）；实习o；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（）

了解本课程的基本内容及本课程在专业课中的作用；了解电力电子技术的

教学目标发展、应用和分类c了解电力二极管的工作原理、基本特性和主要参数；

了解晶闸管的结构，掌握晶闸管的导通条件、关断条件及门极的作用；

重点：明确本课程在专业课学习中的作用和地位；晶闸管的工作原理、工

重点、难点及

作特性

解决方法

难点：晶闸管的双晶体管理论

一、绪论

1、本课程在专业课学习中的作用和地位

2、电力电子技术的概念

3、电力电子技术的发展史

4、电力电子技术的应用

二、电力电子器件概述

教学基本内容1、电力电子器件

与教学设计2、电力电子器件的分类

三、电力二极管

1、工作原理；2、基本特性；3、主要参数

四、晶闸管

1、晶闸管的结构；

2、工作原理

教学方法讲授法

教学手段

课外学习安排复习电子技术课程中的二极管、三极管内容；预习电力二极管

参考资料电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08

学习效果评测

课外学习

指导安排

教学后记

第1页

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教学内容备注

一、绪论

1、本课程在专业课学习中的作用和地位

组织上课（2

供电f变流f系统

分钟）

专业基础课：电路原理、电子技术、电机拖动、变流、自控原理、PLC等

专业课：电力传动控制系统、供电、DCS、检测技

术2、电力电子技术的概念

理论教学（43

电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。就是利用电力电子器作对

分钟）

电能进行变换和控制的技术。包括电压、电流、频率、波形和相数雌换。

1）整流器：把交流电压变为固定的或可调的直流电压。（ACDC。

2）逆变器：把固定直流电压变为固定的或可调的交流电压。（DCAC）

3）斩波器：把固定直流电压变为可调直流电压。（DCDC）

4）爻流调压器：把固定交流电压变为可调的交流电压。（ACAC）

5）变频器：把固定的交流频率变为可调的交流频率。

3、电力电子技术的发展

1）晶闸管：

2）全控型器件：门极可关断晶闸管（GTO）；电力双极型晶体管（BJT、

GTR）;电力场效应晶体管（电力MOSFE）T

3）复合型器件：绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）；MOS控制晶闸管（MCI）；

集成门极换流晶闸管（IGCT）；

4）功率集成电路（PIC）

4、电力电子技术的应用

1）工业应用：如调速、直流电源、中高频感应加热电源等；2）交通运输

二、电力电子器件概述

1、电力电子器件

电功率的大小是其最主要的参数

一般工作在开关状态

由信息电子电路来控制

自身的功率损耗较大一般要考虑器件的散热

2、电力电子器件的分类

按照电力电子器件控制电路信号的程度分：

不可控型器件：电力二极管

半控型器件：晶闸管

全控型器件（自关断器件）：

按照控制信号的性质分：

电流驱动型：GTR、GTO

电压驱动型：电力MOSFEJIGBT

按照器件内部载流子参与导电的情况分为：

________单机型器件：电力MOSFE.T静电感应晶体管iSIT）______________

双极型器件：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR、静电感应晶闸管（SITH）

复合型（混合型）器件：IGBT、MCT

第2贞

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教学内容＜注

三、电力二极管

1、工作原理：与普通二极管相同

复习相关知识

2、基本特性：静态特性和动态特性

（5分钟）

3、主要参数：

正向平均电流IF.、正向压降U、反向重复峰值电压UkRM等

四、晶闸管

1、晶闸管的结构：四层三端半导体器件

理论教学（40

晶闸管是一种大功率的四层三端半导体器件。

分钟）

四层：由P、NP、-四层半导体组成，依次构成三个PN结。

三端：有三个接线的羊4电极）,即阳极A、阴极K、

其内部结构和符号向质示

A

G

P

2

符号

晶闸管的内部结构

2、晶闸管的外形

常用晶闸管的外形有螺栓式和平板式两种，其优缺点如下：

螺栓式：安装、更换方便，但散热效果差。

平板式：散热效果好，但安装、更换比较麻烦。

3、基本特性：

静态特性：

晶闸管导通条件：应同时具备正向阳极电压和正向门极电压。

晶闸管关断条件：阳极电流小于管子的维持电流。

具体实现方法：①阳极电压减小到零或加反向电压。

②增大回路负载电阻。

晶闸管导通以后门极失去作用。

第3贞

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课题名称§1.3晶闸管

课次第⑵次课课时2

课型理论（，）；实验（）；实习o；、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（）

教学目标掌握晶闸管的工作特性和主要参数

重点、难点及

重点：晶闸管的工作原理、工作特性和主要参数

解决方法

晶闸管的伏安特性

晶闸管的主要参数

额定电压Urn

额定电流IT<AV>

教学基本内容门极触发电流IGT和门极触发电压U

GT

与教学设计

通态平均电压UT（AV）

维持电流”与掣住电流I

L

（平均值、有效值、波形系数的计算）

晶闸管的型号

教学方法讲授法

教学手段实物

课外学习安排作业3道题

参考负料电力电子技术浣喜明图等教育出版社2004.08

学习效果评测主要内容下次课以提问方式进行复习，要求通过作业掌握

课外学习

指导安排

教学后记

第4页

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教学内容备注

1、晶闸管的结构？四层三端半导体器件-

2、晶闸管的外形

组织上课，点

3、基本特性：

名（2分钟）

复习（5分钟）

理论教学（33

分钟）

bZblDKM

BO

反向特性

晶闸管的伏安特性

图中：

Uo-------正向转折电压

U,SM一一正向阻断不重复峰值电压

URM——正向阻断重复峰值电压；等于90%UDSM

tin----反向击穿电压

USM---反向不重复峰值电压

URM一—反向重复峰值电压；等于90%URSM

动态特性：

开通过程

关断过程

4、主要参数

电压定额、电流定额、动态参数；

（平均值、有效值、波形系数的计算）

1）晶闸管的额定电压Un

晶闸管的额定电压5是取URM和URM中较小的一个。

选择晶闸管的额定电压时应考虑安全余量（2~3倍），即选实际工作时

最大电压的2~3倍。

2）晶闸管的额定电流IT（AV

晶闸管的额定电流用一定条件下的最大通态平均电流来标定。

平均值=二/°°=7

波形在一个周期内的平均值

1

m

2°

第5贞

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教学内容备注

有效值，即为“方均根”

,；131Im

1=1---J020=—

VK'（ImSint）d（t）

22

0

波形系数：有效值与平均值之比为波形系数。

理论教学（50

k1.57

分钟）

fI

d

注意：Id、1dT、IT（AV）及1、IT、1Tn的区别

Id:负载电流平均值।:负载电流有效值

IdT：晶闸管平均电流IT：晶闸管有效电流

IT（AV）：晶闸管的额定电流1Tn：晶闸管的额定电流有效值

（举例）

3）门极触发电流IGT和门极触发电压UT

在室温下，晶闸管施加6V正相阳极电压时，使元件完全开通所必须的最

小门极电流，称为门极触发电流，对应于门极触发电流时的门极（触发）电

压，称为门极触发电压。

4）通态平均电压Ur（AV）

晶闸管通以额定电流时，阳极和阴极间电压降的平均值，称为通态平均

电压（管压降）。

5）维持电流IH与掣住电流II

维持电流IH：使晶闸管维持通态所必须的最小阳极电流，

掣住电流II：晶闸管从断态转入通态，并且移除触发信号后能维持通态所

必须的最小电西一行二产11%口

K字,到字-数字母

-----》通态平均电压组别

>额定电压等级（乘100即为额定电压）

I----------->额定电流

P：普通型；K：快速型；S：双向型；N：逆导型；G：可关断型

表示闸流特性

第6页

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课题名称§1.4全控型电力电子器件

课次第⑶次课课时2

课型理论（Z）;实验（）；实习0;、实务0；习题课（）；讨论（）；其他（）

认识典型全控型器件，如GTO.GTR、IGBT等，重点掌握器件的工作特

教学目标性

和主要参数

重点、难点及

重点：器件的工作原理、工作特性和主要参数。

解决方法

一、门极可关断晶闸管（GTO）

1、结构和工作原理

2、GTO的动态特性

3、GTO的主要参数

二、电力晶体管（GTR）

1、结构和工作原理

2、GTR的基本特性：静态特性和动态特性

教学基本内容3、GTR的主要参数

与教学设计

三、IGBT

1、IGBT的结构和工作原理

2、IGBT的基本特性：静态特性和动态特性

3、IGBT的主要参数

4、IGBT的锁定效应

教学方法讲授法

教学手段

课外学习安排自学典型全控型器件的相关内容

参考资料电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08

学习效果评测

课外学习

指导安排

教学后记

第7页

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教学内容＜注

一、门极可关断晶闸管(GTO)

GTO是一种具有自关断能力的闸流特性功率半导体器件。

组织上课，点

既具有普通晶闸管的耐压高、电流大的优点，又具有GTR的一些优

名(2分钟)

点，如具有自关断能力、频率较高、使用方便等。

主要应用在大功率直流斩波调速、变频调速、逆变电源等领域。

1.GTO的结构及工作原理

GTO的结构与普通晶闸管相似，也是PNPN四层三端半导体器件,二炳卜，、

G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。与普通晶闸

GTO（30分钟）

管不同的是，可以从门极抽出电流而使其关断。

GTO的触发导通原理与普通晶闸管相似，当阳极加

内容主要以自

正向阳极电压、门极加触发信号后可使GTO触发导通c

学为主

因此，通过门极加正触发信号使GTO触发导通，通过门

极加负触发信号使GTO关断。

GTO的符号

2.GTO的主要特性

GTO的阳极伏安特性与普通晶闸管相似

GTO的动态特性如图所示，由图可以看出，GTO的开通时t包括延迟

间0ft

时间T和上升时间t,耳大小取决于器件特性、门极电流上升率以及门极信

号的底值大小。GT。的：题过关包含三个时间区间，即存储时间［、下降时

间t和尾部时间L,其山•存储6词L和下降时间里的和定义为关航时间o

f.1X

90%IA

10%IA

o

GTO开通和关断的电流波形

3.GTO的主要参数

GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同，不同的主要参数叙述如下：

(1)最大可关断阳极电流P

PATO

即管子的铭牌电流，在实际应用中，它受如下因素的影响：门极关断负

电流波形、阳极电压卜升率、T作频率及电路参数的变化等。

(2)电流关断增益

off

为最大可关断阳极电流I与门极最大负电流IGM之比。on表示GTO

的

ATO

关断能力，由值越大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。

第8贞

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教学内容＜注

二、电力晶体管（GTR）

GTR是一种双极型大功率晶体管，因此也称为功率晶体管或双极型

内容主要以自

晶体管（BJT）o

学为主

具有捽制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好等优点;

因此广泛应用在交直流调速、不间断电源、中频电源以及家用电器

等中小容量的变流装置中。在中小功率应用方面，是取代晶闸管的

GTR（30分钟）

自关断器件之一。

1、结构和工作原理

常用的电力晶体管有单管、达林顿管和达林顿晶体管模块三大系列。］

1）单管GTR:结构有PNP和NPN两/"

、c集电极,—|yc

种。要求有足够大的容量（大电流、高；

电压）、适当的增益、较高的开关速度和！1

基极BB

较低的功率损耗等，因此在GTR的制造

过程中采取了特殊的措施以保证功率应

E发射极E

用的需要，如扩大结片的面积、采用特

PNPNPN

殊形状的管芯图形、精细结构等制造工

GTR符号示意图

艺。

2）达林顿结构的GTR:解决单管GTR

的电流增益较低的问题。达林顿GTR由两个或多个晶体管复合而成，可以是

PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管决定。与单管GTR相比，达林顿CiTR

提高了电流增益，但饱和压降增加，且开关时间增加。实用达林顿电路是将

达林顿结构的GTR、稳定电殂R、R、加速二极管VDi和续流二极管VD2等制

作在一起。

3）GTR模块：作为大功率开关应用最多的还是GTR模块。为了改善器件

的开关过程和并联使用方便，中间级晶体管的甚极均有甲线引出。

2.GTR的主要特性'

GTR的主要特性可分为静态特性和动态#性/性中主要分析小型

的双极型晶体管集电极输出特性，即

集电极伏安特性，分为四个区域：截

止区、放大区、临界饱和区、饱和区。

GTR作为开关使用时，交替工作在饱

和区和截止区，在状态转换过程中必

乡员快速地通过放大区和临界饱和区。

GTR的动态特性主要指开关特

性。GTR的开通时间

t、关断时间toff

GTR共射保电路的输出特性曲线

及集电极电压上升率du/dt是动态过

程中的重要参数。一般开通时间比关

断时间短，容量越大，开关时间也越

长，但仍比快速晶闸管短。为了抑制过高的du/dt对GTR的危害，使用时可

在集•射极之间并联阻容缓冲电路。

第9页

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教学内容＜注

3.GTR的额定参数

GTR的额定参数主要包括最高电压额定值、最大电流额定值和最大散耗

功率。

(1)最高电压额定值

最高电压额定值即最高集电极电压额定值，它的大小不仅与器件本身的

特性有关，而且还取决于基极回路的接线方式。下图所示为GTR的不同接线

方式，对应的最图电压额定值用BUceo＞BU、BUCCR、BUctx和BUC80表不,

CGS

一般情况下:

BUCBO

VI

GTR的不同接线方式

在GTR产品目录中BU作为电压额定值给出，实际应用时必须考虑一

ceo

定的裕量，GTR的电压额定应满足＞

BUCEO(2〜3)U

式中U为GTR实际承卷的最高电

压。

(2)最大电流额定值I”

CM

最大电流额定值即允许流过集电极的最大电流值。为了提高GTR的输出

功率，集电极输出电流应尽可能地大，但是集电极电流大，则要求基极注入

的电流大，这将会使GTR的电气性能变差，甚至损坏器件。因此在实际应用

电路中，为了确保使用的安全与稳定，GTR的最大电流额定值应满足

ICM(2〜3)1

式中」为流过GTR的电流峰

tto

同样，基极电流也有最大额定值的规定，常用I表示，通常取

BM

13M("2〜1/6)1。

CM

(3)最大散耗功率P

CM

最大散耗功率P是指GTR在最高允许结温时所对应的散耗功率，它

受

CM

结温的限制，其大小由集电极工作电压和集电极电流的乘积决定。由于这部

分能量将转化为热能并使GTR发热，因此，GTR在使用中的散热条件是十分

重要的。

第10贞

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教学内容＜注

三、IGBT

IGBT是一种复合型器件。

内容主要以自

它将MOSFE和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、工作速度

学为主

快、热稳宇性好和驱动电路简单、驱动电流小等优点，又具有通态

电压低、耐压高和承受电流大等优点。

在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT

已逐步取代功率MOSFE和GTR。

1.IGBT的结构及工作原理

+层发射极，形成PN结

JIGBT是库功"lyiOSFE的基础上增加了一个P

G和发射

（30分钟）

体

区匕E

ID-+

漂八

移CC

区*

R

缓

冲

区

注入区P沟i

C集电报

a）

IGBT示意图

a）IGBT结构剖面图b）N-IGBT的等效电路c）图形符号

IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。

栅极施以正电压时，MOSFE的形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流,

L而代ICRTg'备如叶Lio区注入到N区的空穴对N区进行电导调制，

从而使IGBT导通。此时，从P

减小N“，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。

一区的电阻R

在栅极上施以负电压时，MOSFE的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被

切断，IGBT关断。

2.IGBT的工作特性

IGBT的工作特性包括静态特性和动态特性。

1）静态特性主要有输出特性和转移特性。

输出特性表达了集电极电流％与集射极电压U之间的关系，分正向阻

CC

断区、饱和区、放大区（有源区）。饱和导通时管压降一般为2〜5V。IGBT输

出特性的特点是集电极电流I由栅射极电压Us控制，UGE越大％越大。在

反向集射极电压作用下器件呈反向阻断特性。

IGBT的转移特性表示了栅射极电压u对集电极电流％的控制关系。在

大部分范围内,—I与限呈线性关聚只看当

UGE接近开启电压UGE（th）时才

呈

非线性关系。所以最大栅射极电压应受最大集电极电流I得限制，最佳值

CM

为U15V0

GE

2）IGBT的动态特性也称开关特性，包括开通和关断两个部分。

IGBT的的开通时间t由开通延迟时间taw和电流上升时间匕两部分组

on

成，通常开通时间为（0.57.2）s0

第11页

开通延迟时间t:是指从驱动电压U证上升到其幅值电压的10%的时

刻

起，到集电极电流升到其幅值的10%的时刻止的这段区间；

上升时间t：集电极电流从其幅值的10%升高到其幅值的90%所需的时

间

r

为。

IGBT的关断过程是从正句导通状态转换到正向阻断状态的过程，关断时

间t也是由关断延迟时间以的和电流下降时间G两部分组成。

关断延迟时间t:是指从驱动电压U8下降到其幅值电压的90%的时

刻

起，到集电极电流降到其幅值的90%的时刻为止的这段区间；

下降时间t：是指集电极电流从其幅值的90%降低到其幅值的10%所需

的N

f

时间。

在下降时间t内，集电极电流的波形分为3和5两段，1对应于

IGBT

内部MOSFE的卖断过程，在这段时间内集亩极电梦降较快对应于IGBT

内PNP晶体管的关断过程。通常关断时间为(0<55-1.5)K

3.IGBT的主要参数[•・/--------„

(D集射极击穿电压BU是由器件内耳的PNP晶体憎所能承受的

CES

穿电压确定的，它决定了IGBT的

最高工作电压。

(2)开启电压U是IGBT

GE(th)

导通所需的最低栅射极电压，它随

温度升高而下降。

(3)通态压降u通态压

CE(on>

降U决定了通态损耗，通常

C£(on)

IGBT的通态压降为2〜3V。

(4)最大栅射极电压阻

U

为了限制故障情况下的电流和确10%lcM

O

保长期使用的可靠性，应将栅射极

u0cUc£M

电压限制在20V以内，一般取15V

Ott

(5)集电极连续电流I和峰""

c

值电流I集电极流过的最大连

CM

续电流I即为IGBT的额定电流，。

C

在不超过额定结温的情况下，通常

喳值电流I为额定电流的2倍左

.CM

石"O

4.IGBT的锁定效应

当集电极电流I大到一定程度时，NPN晶体管因过高的正偏置而导

通，

造成寄生晶闸管开通，导致IGBT栅极失去控制作用，这就是锁定效应，也

称为擎住效应。因％过大而产生的锁定效应称为静态锁定。此外，在关断过

程中由于ducE/dt过大而产生的锁定效应称为动态锁定，这种现象在负载为电

感性时更容易发生。

为了避免IGBT发生锁定现象，必须规定集电极最大电流I,由于动态

CM

锁定所允许的集电极电流比静态锁定时要小，所以厂家所规定的1CM值是根

据避免动态锁定而确定的。在设计时要考虑一定的安全裕量，以保证电流不

超过I。

CM

第12页

辽宁冶金职业技术学院教案

课题名称单相可控整流电路

课次第（4、6、9）次课课时6

课型理论（，）；实验（）；实习0;、实务（）；习题课（）；讨论（）；其他（）

熟悉各种单相可控整流电路，明白负载性质对整流电路性能的影响；掌握

教学目标单相相控整流电路在不同性质负载下的工作原理,控制角移相范围,电流

有效值、平均值的计算；

重点：单相相控整流电路在不同性质负载下的工作原理；有效值、平均值

重点、难点及

的计算；

解决方法

难点：不同负载整流电路波形分析

一、单相半波可控整流电路

电阻性负载、电感性负载、大电感性负载（接续流二极管）

（电路图、工作原理、波形分析、电压电流计算）

二、单相全波可控整流电路

电阻性负载、电感性负载、大电感性负载（接续流二极管）

（电路图、工作原理、波形分析、电压电流计算）

三、单相全控整流电路

教学基本内容

电阻性负载、大电感性负载、反电动势负载

与教学设计

（电路图、工作原理、波形分析、电压电流计算）

四、单相半控整流电路

大电感性负载、大电感性负载（接续流二极管）

（电路图、工作原理、波形分析、电压电流计算）

教学方法讲授法

教学手段

课外学习安排作业题5道；思考题2道

参考资料电力电子技术浣喜明高等教育出版社2004.08

学习效果评测作业、上课提问、测验方式

课外学习

晚自习辅导答疑

指导安排

教学后记

辽宁冶金职业技术学院讲稿

教学内容备注

一、单相半波可控整流电路

（一）电阻性负载

组织上课，点名

（2分钟）

»

理论教学（45分

钟）

机动（3分钟）

2、整流原理

（1）晶闸管导通状态

此时必须满足：a.U2为正半波（正向阳极电压）。

b.有触发脉冲（正向门极电压）。

晶闸管导通时有如下关系

（2）晶闸管截止状态

共有以下两种情况：

a.u2为正但无触发脉冲。

b.U2为负。

此时有如下关系：山=0,

id=Ud/Rd=O,uT=U2

3、波形分析：根据如上分

析，可画出波形如图所示

第14页

辽宁冶金职业技术学院讲稿

教学内容备注

4、两个重要角度a和8

a：从晶闸管承受正向阳极电压开始到晶闸管导通之间的电角度用a表示，称

为控制角(或移相角)。

8：晶闸管在一个周期内导通的电角度用8表示，称为晶闸管的导通角。

5、平均电压U及U/U与a的关系

U1zzZLUsifTt^FC°SU20=------—•

d2k%(t)2

弁1COS0.45+a

UUZ,•吁=2--------

d

6、有效年压_____________________________________

ugjtE/°L。K

d(t)4

U

2

+a

7、平均电流、有效电流及波形系数,

平均电流N：

IU45IcosU—a

Jna+为7rd-a

有效电流I:=-=-~~r--------------------

,UUV1+a

I2

波形系数k.：RR4

d

asin2

2

Isin22)

fl2(1()

dcos

A/.it-a

a4>0=-=------=—=J-a+---------

当=0时kf=1.57V""

8、变压器二次侧供给的有功功率、视在功率及功率因数

有功功率：P=lFUI

2R

视在功率：S=U2I

功率因数：

PUIU1

=0时，cos最大为cossin20.707

SU2IU42

第15贞

辽宁冶金职业技黎映

教学内容造

(-)电感优载

1、电路

理论教学(47分

钟)

2、整流原理及波形分析

U2=UT+U产UT+UL+U

R①当003恺t

1

VTttlt.coud=0,UT=U2,id=0

②当t=3时

晶间管才始易通；

③tKt<t2

导通，此时直

VT=U2,uT=0,

从零上升；

④t二tz时，id达到最大

⑤故2Va03ts此时Ud=U2,

UT==O,id逐渐下降

©t<t<t此时由比的作

的

继

续

3维4

正

用a

i

h3le=l

在u.U

，

2负

增

尢9G

2t=14此时eu2

.晶闸管

关断，i产0

⑧14Vt<15晶闸管截止，Ud=O

UT=U2id=0

id

第16页

辽宁冶金职业技术学院讲稿

教学内容备注

（三）大电感性负载（接续流二极管）

1、电路图

2、整流原理及波形分析

作业（3分钟）

当电感足够大时，流过负载的电流波形id可以看成一条直线，如图所示

3.计算关系式

①②

五一a0

d

22

0

夕丁为晶闸管的导通角D为二极管的导通角

③17rti卜+a

0丁［二

IDid(t)1

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