电力电子技术教学教案

课题第一讲电力电子技术绪论目的与要求1什么是电力电子技术2电力电子技术的发展史3电力电子技术的应用4教材内容简介和使用说明重点什么是电力电子技术电力电子技术的应用难点什么是电力电子技术电力电子技术的应用教具复习提问1、什么是信息电子技术2、电子技术的发展史新知识点考查什么是电力电子技术？布置作业课后回忆备注教员党智乾教研室主任批阅系部审查意见电力电子技术PowerElectronics第一讲绪论1什么是电力电子技术2电力电子技术的发展史3电力电子技术的应用4教材内容简介和使用说明20分钟1什么是电力电子技术20分钟1.1电力电子与信息电子1.2两大分支1.3与其他学科的关系1.4地位和未来1.1电力电子与信息电子模拟电子技术模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术信息电子技术——信息处理电力电子技术——电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。1.2两大分支电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。变流技术（电力电子器件应用技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。1.2两大分支变流技术电力——交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。电力变换四大类交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流20分钟1.3与相关学科的关系20分钟电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现。1974年，美国的W.Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。与电子学（信息电子学）的关系都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。二者同根同源。与电力学（电气工程）的关系电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支与控制理论（自动化技术）的关系控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。10分钟1.4地位和未来10分钟电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。计算机人脑电力电子技术消化系统和循环系统电力电子＋运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术，能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春永驻。一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。2电力电子技术的发展史历史是人类社会的一面镜子分析过去、现在有助于把握未来科学史是科学家的一面镜子了解一门学科的过去、现在有助于把握未来3电力电子技术的应用一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。4教材的内容简介和使用说明40分钟4.1教材的内容简介40分钟4.2教材的使用说明4.3本课程学习方法的介绍4.1教材的内容简介《电力电子技术》课程教材是结合该门课程的教学改革而编写。教材分为与工作岗位相关的五大模块，以岗位技能的需求引出案例，形成项目驱动式教学模块：课题模块包括下列项目：【学习目标】――学完本课题应该达到的知识水平和技能水平。【课题描述】――描述案例特征和相关电力电子技术，引出课题。【相关知识点】――课题所需要学习的各知识点。【扩展内容】――与课题相关应用技术扩展知识点。【选学内容】――学生可以选学的知识点。【习题与思考题】――课题练习及习题。4.2教材的使用说明每个项目的最后有小结，对该项目的要点和重点进行总结。针对“教学实验”部分，精选了8个最基本的，有较高实用价值的实验。课时分配：课内教学学时为48学时（包含实验，每个实验2学时）。和其他课程的关系：电路电子技术基础电力电子技术现代调速控制系统4.3本课程学习方法的介绍波形分析法：波形分析法是整流电路以及触发电路的工作原理分析最有效的方法，读者要学会利用波形分析来分析电路工作原理。分析计算法：电路中各电量的计算要通过工作原理分析来推导。对比法：将电阻性负载和电感性负载以及电感性负载接续流二极管的电路对比分析。理论联系实际法：将理论波形和实际波形联系起来，对照分析。讨论分析法：读者要学习与他人讨论分析问题，并了解其他读者的学习方法和学习收获，提高学习效率。教案设正课正课

第二讲调光灯认识晶闸管和单结晶体管掌握调光灯电路原理。掌握晶闸管导通关断的条件，学会选用晶闸管。了解单结晶体管工作原理。晶闸管导通关断的条件，学会选用晶闸管。单结晶体管工作原理。电力二极管工作原理。晶闸管导通关断的条件是什么，怎么样选用晶闸管。党智乾调光灯电路提出问题调光灯在日常生活中的应用非常广泛，其种类也很多。上图为常见的调光台灯电路，分析调光灯电路原理。晶闸管电路晶体管触发电路复习：1、电力（功率）二极管（PowerDiode）。允许电流较大电压较高的二极管。2、按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：半控型器件（Thyristor）：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)：通过控制信号既可控制导通又可控制关断。不可控器件(PowerDiode)：不能用控制信号来控制其通断,不需驱动电路。新知识：认识晶闸管和单结晶体管一、普通晶闸管1、结构：晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）图1-1晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号2、工作原理通过做实验得出结论：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。两者中较小的为额定电压。选取额定电压为正常工作承受峰压2~4倍。两者中较小的为额定电压。选取额定电压为正常工作承受峰压2~4倍。电压定额：断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压UT晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。电流定额：通态平均电流IT(AV）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。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流IH使晶闸管维持导通所必需的最小电流。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。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。选择晶闸管额定电流的原则：管子在额定电流时的电流有效值大于其所在电路中可能流过的最大电流的有效值，同时取倍的余量，即：表1-1晶闸管标准电压等级表1-4晶闸管通态平均电压分组组别ABCDE通态平均电压（V）UT≤0.40.4＜UT≤0.50.5＜UT≤0.60.6＜UT≤0.70.7＜UT≤0.8组别FGHI通态平均电压（V）0.8＜UT≤0.90.9＜UT≤1.01.0＜UT≤1.11.1＜UT≤1.2课后小结：晶闸管导通关断的条件是什么，怎么样选用晶闸管。板书设计：§1.1晶闸管的结构和工作特性一、可控硅结构与符号：三、可控硅的主要参数（1）.正向阻断峰值电压ＵDRM（2）.反向阻断峰值电压ＵRRM（3）.额定电流IT（AV）（4）.控制极触发电流IGT二、可控硅的工作原理（5）.维持电流IH导通条件：①承受正向阳极电压；②承受正向门极电压。关断条件：阳极电流小于维持电流IH；阳极电压减小到零或使之反向。′108′1225重点2510难点重点

第三讲普通晶闸管和晶闸管派生器件掌握晶闸管的选用。复习晶闸管导通关断的条件。了解晶闸管派生器件工作原理。晶闸管导通关断的条件，学会选用晶闸管。选用晶闸管的额定电压、额定电流。晶闸管导通关断的条件，晶闸管额定参数。选用晶闸管的额定电压、额定电流。晶闸管派生器件工作原理。党智乾复习：晶闸管导通关断条件：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。新知识：普通晶闸管和晶闸管派生器件一、普通晶闸管选用两者中较小的为额定电压。选取额定电压为正常工作承受峰压2~4倍。1、两者中较小的为额定电压。选取额定电压为正常工作承受峰压2~4倍。电压定额：断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。电流定额：通态平均电流IT(AV）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。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。实际使用时应留有一定裕量，一般取（1.5~2倍）电流平均值：指一个周期内的电流算术平均值。电流有效值：指一个周期内的电流均方根值。波形系数：Kf=IT/IT(AV)选择晶闸管额定电流的原则：管子在额定电流时的电流有效值大于其所在电路中可能流过的最大电流的有效值，同时取（1.5~2）倍的余量，即：例1：一晶闸管接在220V交流电路中，通过晶闸管电流的有效值为50A，问如何选择晶闸管的额定电压和额定电流？解：晶闸管额定电压按晶闸管参数系列取800V，即8级。晶闸管的额定电流按晶闸管参数系列取50A。例2：见课本P14页二、晶闸管派生器件1、双向晶闸管结构：五层(NPNPN)三端硅半导体闸流元件，相当于两个门极接在一起普通晶闸管反并联。T1T1T2GGT1T2G可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。触发方式：Ⅰ+触发：T1为正，T2为负；门极为正，T2为负。Ⅰ-触发：T1为正，T2为负；门极为负，T2为正。Ⅲ+触发：T1为负，T2为正；门极为正，T2为负。Ⅲ-触发：T1为负，T2为正；门极为负，T2为正。常用触发方式：Ⅰ+、Ⅲ-课后小结：选用晶闸管的额定电压、额定电流。双向晶闸管的工作原理。81012′′1020重点难点228

第四讲单结晶体管复习双向晶闸管工作原理。掌握单结晶体管导通关断的条件。了解单结晶体管触发电路工作原理。单结晶体管的结构、伏安特性及主要参数。单结晶体管触发电路工作原理。双向晶闸管工作原理。单结晶体管的结构、伏安特性及主要参数。党智乾复习：1、晶闸管选用。2、双向晶闸管工作原理触发方式：Ⅰ+触发：T1为正，T2为负；门极为正，T2为负。Ⅰ-触发：T1为正，T2为负；门极为负，T2为正。Ⅲ+触发：T1为负，T2为正；门极为正，T2为负。Ⅲ-触发：T1为负，T2为正；门极为负，T2为正。常用触发方式：Ⅰ+、Ⅲ-新知识：单结晶体管一、单结晶体管1、单结晶体管的结构（a）结构（b）等效电路（c）图形符号（d）外形管脚排列2、伏安特性当两基极b1和b2间加某一固定直流电压时，发射极电流与发射极正向电压Ue之间的关系曲线称为单结晶体管的伏安特性＝f（Ue）。（a）单结晶体管实验电路（b）单结晶体管伏安特性（c）特性曲线族①截止区——aP段当开关Q闭合，电压Ubb通过单结晶体管等效电路中的rbl和rb2分压，得A点电位UA，可表示为式中:η——分压比，是单结晶体管的主要参数，η一般为0.3～0.9。②负阻区——PV段当Ue>Up时，等效二极管VD导通，增大，这时大量的空穴载流子从发射极注入A点到b1的硅片，使rbl迅速减小，导致UA下降，因而Ue也下降。UA的下降，使PN结承受更大的正偏，引起更多的空穴载流子注入到硅片中，使rbl进一步减小，形成更大的发射极电流，这是一个强烈的增强式正反馈过程。当增大到一定程度，硅片中载流子的浓度趋于饱和，rbl已减小至最小值，A点的分压UA最小，因而Ue也最小，得曲线上的V点。V点称为谷点，谷点所对应的电压和电流称为谷点电压Uv和谷点电流Iv。这一区间称为特性曲线的负阻区。③饱和区——VN段当硅片中载流子饱和后，欲使继续增大，必须增大电压Ue，单结晶体管处于饱和导通状态。改变，器件由等效电路中的UA和特性曲线中Up也随之改变，从而可获得一族单结晶体管伏安特性曲线，如图（c）所示。3、单结晶体管的主要参数有：单结晶体管的主要参数有基极间电阻rbb、分压比η、峰点电流IP、谷点电压UV、谷点电流IV及耗散功率等。国产单结晶体管的型号主要有BT31、BT33、BT35等，BT，其主要参数如表1—4所示。表1—4单结晶体管的主要参数课后小结：单结晶体管的结构、伏安特性及主要参数。板书设计：§1.1单结晶体管的结构、伏安特性及主要参数。一、单结晶体管的结构与符号：二、单结晶体管的伏安特性①截止区——aP段②负阻区——PV段③饱和区——VN段；三、单结晶体管的的主要参数基极间电阻rbb分压比η峰点电流IP谷点电压UV谷点电流IV耗散功率等。46′15′1515重点15重点128

第五讲单结晶体管触发电路复习单结晶体管工作原理。掌握单结晶体管触发电路工作原理。理解单结晶体管触发电路同步的概念。单结晶体管触发电路工作原理。单结晶体管触发电路工作原理。单结晶体管工作原理，伏安特性和主要参数。单结晶体管触发电路工作原理。党智乾复习：1、单结晶体管工作原理。2、单结晶体管伏安特性和主要参数。新知识：单结晶体管触发电路一、单结晶体管张驰振荡电路利用单结晶体管的负阻特性和电容的充放电，可以组成单结晶体管张驰振荡电路。单结晶体管张驰振荡电路的电路图和波形图如图1－25所示。图1－25单结晶体管张驰振荡电路电路图和波形图（a）电路图（b）波形图设电容器初始没有电压，电路接通以后，单结晶体管是截止的，电源经电阻R、RP对电容C进行充电，电容电压从零起按指数充电规律上升，充电时间常数为REC；当电容两端电压达到单结晶体管的峰点电压UP时，单结晶体管导通，电容开始放电，由于放电回路的电阻很小，因此放电很快，放电电流在电阻R4上产生了尖脉冲。随着电容放电，电容电压降低，当电容电压降到谷点电压UV以下，单结晶体管截止，接着电源又重新对电容进行充电…如此周而复始，在电容C两端会产生一个锯齿波，在电阻R4两端将产生一个尖脉冲波。如图1－25（b）所示。二、单结晶体管触发电路上述单结晶体管张驰振荡电路输出的尖脉冲可以用来触发晶闸管，但不能直接用做触发电路，还必须解决触发脉冲与主电路的同步问题。图1-21所示为单结晶体管触发电路，是由同步电路和脉冲移相与形成两部分组成的。（1）同步电路1）什么是同步 触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调的关系叫同步。例如，在单相半波可控整流电路中，触发脉冲应出现在电源电压正半周范围内，而且每个周期的角相同，确保电路输出波形不变，输出电压稳定。2）同步电路组成同步电路由同步变压器、桥式整流电路VD1～VD4、电阻R1及稳压管组成。同步变压器一次侧与晶闸管整流电路接在同一相电源上，交流电压经同步变压器降压、单相桥式整流后再经过稳压管稳压削波形成一梯形波电压，作为触发电路的供电电压。梯形波电压零点与晶闸管阳极电压过零点一致。从而实现触发电路与整流主电路的同步。3）波形分析单结晶体管触发电路的调试以及在今后的使用过程中的检修主要是通过几个点的典型波形来判断个元器件是否正常，我们将通过理论波形与实测波形的比较来进行分析。①、桥式整流后脉动电压的波形(图1-21中“A”点)将探头的测试端接于“A”点，接地端接于“E”点，调节旋钮“t/div”和“v/div”，使示波器稳定显示至少一个周期的完整波形，测得波形如图1-26（a）所示。由电子技术的知识我们可以知道“A”点为由VD1～VD4四个二极管构成的桥式整流电路输出波形，图1-26（b）为理论波形，对照进行比较。图1－26桥式整流后电压波形（a）实测波形（b）理论波形②、削波后梯形波电压波形（图1-21图中“B”点）将探头的测试端接于“B”点，测得B点的波形如图1-27（a）所示，该点波形是经稳压管削波后得到的梯形波，图1-27（b）为理论波形，对照进行比较。（2）脉冲移相与形成1）电路组成脉冲移相与形成电路实际上就是上述的张驰振荡电路。脉冲移相由电阻RE和电容C组成，脉冲形成由单结晶体管、温补电阻R3、输出电阻R4组成。改变张驰振荡电路中电容C的充电电阻的阻值，就可以改变充电的时间常数，图中用电位器RP来实现这一变化，例如：RP↑→τC↑→出现第一个脉冲的时间后移→α↑→Ud图1-27削波后电压波形（a）实测波形（b）理论波形2）波形分析①、电容电压的波形（图1-21中“C”点）将探头的测试端接于“C”点，测得C点的波形如图1-28（a）所示。由于电容每半个周期在电源电压过零点从零开始充电，当电容两端的电压上升到单结晶体管峰点电压时，单结晶体管导通，触发电路送出脉冲，电容的容量和充电电阻的大小决定了电容两端的电压从零上升到单结晶体管峰点电压的时间，因此在本课题中的触发电路无法实现在电源电压过零点即时送出触发脉冲。图1-28（b）为理论波形，对照进行比较。半个周期半个周期图1-28电容两端电压波形（a）实测波形（b）理论波形调节电位器RP的旋钮，观察C点的波形的变化范围。图1-29所示为调节电位器后得到的波形。图1－29改变RP后电容两端电压波形图1-31调节RP后输出波形②、输出脉冲的波形（图1-21中“D”点）将探头的测试端接于“D”点，测得D点的波形如图1-30（a）所示。单结晶体管导通后，电容通过单结晶体管的迅速向输出电阻放电，在上得到很窄的尖脉冲。图1-30（b）为理论波形，对照进行比较。图1－30输出波形（a）实测波形（b）理论波形调节电位器RP的旋钮，观察D点的波形的变化范围。图1-31所示为调节电位器后得到的波形。（3）触发电路各元件的选择1）充电电阻的选择改变充电电阻的大小，就可以改变张驰振荡电路的频率，但是频率的调节有一定的范围，如果充电电阻选择不当，将使单结晶体管自激振荡电路无法形成振荡。充电电阻的取值范围为：——加于图1－21中B-E两端的触发电路电源电压——单结晶体管的谷点电压——单结晶体管的谷点电流——单结晶体管的峰点电压——单结晶体管的峰点电流2）电阻的选择电阻是用来补偿温度对峰点电压的影响，通常取值范围为：200～600。3）输出电阻的选择输出电阻的大小将影响将影响输出脉冲的宽度与幅值，通常取值范围为：50～100。4）电容C的选择电容C的大小与脉冲宽窄和的大小有关，通常取值范围为：0.1～1。课后小结：单结晶体管触发电路的结构、工作原理。416′′20重点难点1015重点10105

第六讲项目小结习题与思考复习晶闸管、单结晶体管工作原理。通过习题掌握晶闸管有关的的概念及单结晶体管触发电路工作原理。会使用晶闸管，会调试单结晶体管触发电路。晶闸管有关概念、单结晶体管触发电路工作原理。晶闸管的选用、单结晶体管触发电路调试。晶闸管有关概念、单结晶体管触发电路工作原理。对该项目进行小结。党智乾复习：晶闸管有关概念。单结晶体管触发电路工作原理。新知识：项目小结习题与思考一、本项目的学习目标：1、用万用表测试晶闸管和单结晶体管的好坏。2、掌握晶闸管工作原理。3、分析单相半波整流电路的工作原理。4、分析单结晶体管触发电路的工作原理。5、熟悉触发电路与主电路电压同步的基本概念。6、由学生自己阐述晶闸管电路原理，晶体管触发电路原理。二、相关知识点1、晶闸管的工作原理2、晶闸管特性与主要参数3、单结晶体管触发电路三、本项目学习方法小结1、互相讨论法2、小结归纳法3、对比法四、习题与思考例1晶闸管导通的条件是什么？导通后流过晶闸管的电流由什么决定？晶闸管的关断条件是什么？如何实现？晶闸管导通与阻断时其两端电压各为多少？解：晶闸管导通的条件是：晶闸管阳极和阴极之间加正向阳极电压。门极和阴极之间加适当的正向阳极电压。导通后流过晶闸管的电流由主电路电源电压和负载大小决定。晶闸管的关断条件是：阳极电流小于维持电流。关断晶闸管可以通过降低晶闸管阳极－阴极间电压或增大主电路中的电阻。晶闸管导通时两端电压为通态平均电压（管压降），阻断时两端电压由主电路电源电压决定。例2调试图4所示晶闸管电路，在断开负载Rd测量输出电压Ud是否可调时，发现电压表读数不正常，接上Rd后一切正常，请分析为什么？图4例2图 解：当S断开时，由于电压表内阻很大，即使晶闸管门极加触发信号，此时流过晶闸管阳极电流仍小于擎住电流，晶闸管无法导通，电流表上显示的读数只是管子漏电流形成的电阻与电压表内阻的分压值，所以此读数不准。在S合上以后，Rd介入电路，晶闸管能正常导通，电压表的读数才能正确显示。例3画出图1－49所示电路电阻Rd上的电压波形。图5习题3图 解：例4说明晶闸管型号KP100-8E代表的意义。解：KP100-8E表示额定电流100A、额定电压8级（800V、通态平均电压组别E（0.7＜UT≤0.8）普通晶闸管。例5晶闸管的额定电流和其他电气设备的额定电流有什么不同？解：由于整流设备的输出端所接负载常用平均电流来衡量其性能，所以晶闸管额定电流的标定与其他电器设备不同，采用的是平均电流，而不是有效值，又称为通态平均电流。所谓通态平均电流是指在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170°电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。例6型号为KP100－3、维持电流IH＝3mA的晶闸管，使用在图6所示的三个电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？解：（a）图的目的是巩固维持电流和擎住电流概念，擎住电流一般为维持电流的数倍。本题给定晶闸管的维持电流IH＝3mA，那么擎住电流必然是十几毫安，而图中数据表明，晶闸管即使被触发导通，阳极电流为100V/50KΩ＝3mA，远小于擎住电流，晶闸管不可能导通，故不合理。 （b）图主要是加强对晶闸管型号的含义及额定电压、额定电流的理解。 本图所给的晶闸管额定电压为300A、额定电流100A。图中数据表明，晶闸管可能承受的最大电压为311V，大于管子的额定电压，故不合理。 （c）图主要是加强对晶闸管型号的含义及额定电压、额定电流的理解。 晶闸管可能通过的最大电流有效值为150A，小于晶闸管的额定电流有效值1.57×100＝157A，晶闸管可能承受的最大电压150V，小于晶闸管的额定电压300V，在不考虑电压、电流裕量的前提下，可以正常工作，故合理。例7某晶闸管元件测得UDRM＝840V，URRM=980V，试确定此晶闸管的额定电压是多少？解：根据将UDRM和URRM中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值，将两者较小的840V按教材表1－2取整得800V，该晶闸管的额定电压为8级（800V）。例8有些晶闸管触发导通后，触发脉冲结束时它又关断是什么原因？ 解：晶闸管的阳极加正向电压，门极加正向触发脉冲时，晶闸管被触发导通。此后阳极电流逐渐上升到擎住电流后，去掉触发脉冲，则管子继续导通，知道电流升到负载电流后，进入正常工作状态。如果阳极电流还没有升到擎住电流值就去掉门极脉冲，则晶闸管就不能继续导通而关断。151515′45′

课题第七讲可关断晶闸管目的与要求1了解可关断晶闸管的结构2掌握可关断晶闸管的工作原理3理解可关断晶闸管主要参数4熟悉可关断晶闸管主要驱动电路重点可关断晶闸管的工作原理可关断晶闸管主要参数难点可关断晶闸管主要驱动电路教具复习提问1、晶闸管的结构2、晶闸管的工作原理新知识点考查可关断晶闸管和普通晶闸管的区别是什么布置作业课后回忆可关断晶闸管的电气图形符号备注教员教研室主任批阅系部审查意见1）可关断晶闸管结构可关断晶闸管（GTO）也称门极可关断晶闸管（GTO）。它的主要特点是，既可用门极正向触发信号使其触发导通，又可向门极加负向触发电压使其关断。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。图2-3是可关断晶闸管（GTO）的外形和图形符号。GTO是多元的功率集成器件，这些小的GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起，且每个GTO元阴极和门极距离很短，有效地减小了横向电阻，因此可以从门极抽出电流而使它关断。图2-3可关断晶闸管（GTO）的外形及符号图2-4可关断（GTO）的内部结构2）可关断晶闸管的工作原理（1）GTO的导通机理与SCR是相同的。GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的,但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。（2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。3）可关断晶闸管的主要参数（1）开通时间ton:延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大；（2）关断时间toff:一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s；（3）最大可关断阳极电流IATO：指用门极电流可以重复关断的阳极峰值电流。它是GTO的额定电流。（4）电流关断增益βoff，GTO的门极可关断能力可用电流关断增益βoff来表征，最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。GTO的驱动电路图2-5GTO门极驱动信号波形图2-6门极驱动电路（1）门极导通电路。在无导通信号时，晶体管V1未导通，电容C1被充电到电源电压，约为20V。当时导通信号时，V1导通，产生门极电流。已充电的电容C1可加快V1的导通，从而增加门极导通电流前沿的陡度。此时，电容C2被充电。（2）门极关断电路。当有关断信号时，晶体管V2导通，C2经GTO的阴极、门极、V2放电，形成峰值90V、前沿陡度大、宽度大的门极关断电流。（3）门极反偏电路。电容C3由－20V电源充电、稳压管V4钳位，其两端得到上正下负、数值为10V的电压。当晶体管V3导通时，此电压作为反偏电压加在GTO的门极上。反偏电路基本要求：GTO关断后仍然可以加一门极反向电压，其持续时间可以是几十微秒或整个阻断状态时间。门极反偏电压越高，可关断阳极电流越大。反偏电压越高，阳极耐量越大。课后小结：1了解可关断晶闸管的结构2掌握可关断晶闸管的工作原理（重点）3理解可关断晶闸管主要参数（重点）4熟悉可关断晶闸管主要驱动电路（难点）课题模块包括下列项目：【学习目标】――学完本课题应该达到的知识水平和技能水平。【课题描述】――描述案例特征和相关电力电子技术，引出课题。【相关知识点】――课题所需要学习的各知识点。【扩展内容】――与课题相关应用技术扩展知识点。【选学内容】――学生可以选学的知识点。【习题与思考题】――课题练习及习题。4.2教材的使用说明每个项目的最后有小结，对该项目的要点和重点进行总结。针对“教学实验”部分，精选了8个最基本的，有较高实用价值的实验。课时分配：课内教学学时为48学时（包含实验，每个实验2学时）。和其他课程的关系：电路电子技术基础电力电子技术现代调速控制系统4.3本课程学习方法的介绍波形分析法：波形分析法是整流电路以及触发电路的工作原理分析最有效的方法，读者要学会利用波形分析来分析电路工作原理。分析计算法：电路中各电量的计算要通过工作原理分析来推导。对比法：将电阻性负载和电感性负载以及电感性负载接续流二极管的电路对比分析。理论联系实际法：将理论波形和实际波形联系起来，对照分析。讨论分析法：读者要学习与他人讨论分析问题，并了解其他读者的学习方法和学习收获，提高学习效率。教案设正课正课

课题第八讲单相桥式整流电路目的与要求1单相桥式结构特点2整流电路的概念3负载性质的特点4会进行性定性分析和定量分析重点整流电路的工作原理不同负载的电路过程的分析难点波形分析和定量分析的统一教具复习提问1、什么是单相桥式不可控整流电路2、二极管与晶闸管的区别新知识点考查单相桥式可控整流电路和单相桥式不可控整流电路的区别布置作业课后回忆备注教员教研室主任批阅系部审查意见2.1单相桥式全控整流电路单相桥式整流电路输出的直流电压、电流脉动程度比单相半波整流电路输出的直流电压、电流小，且可以改善变压器存在直流磁化的现象。单相桥式整流电路分为单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路。下面我们先介绍单相桥式全控整流电路1）电阻性负载单相桥式整流电路带电阻性负载的电路及工作波形如图2-7所示。(a)电路图(b)波形图图2-7单相桥式全控整流电路电阻性负载单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算：①输出电压平均值的计算公式：即为最小值时，；为最大值时，；所以，单相全控桥式整流电路带电阻负载时，控制角的移向范围是0°~180°。②输出电压的有效值的计算公式：=3\*GB3③负载电流平均值的计算公式：④负载电流有效值的计算公式：⑤晶闸管VT1VT4和VT2VT3轮流导通，流过晶闸管的电流平均值只有输出直流电流平均值的一半。即流过每只晶闸管的电流的平均值的计算公式：⑥为了选择晶闸管、变压器容量、导线截面积等定额，需考虑发热问题，为此需计算电流有效值，即流过每只晶闸管的电流的有效值的计算公式：⑦晶闸管可能承受的最大电压为：=8\*GB3⑧不考虑变压器的损耗时，要求变压的容量为：=9\*GB3⑨在一个周期内，电流通过变压器两次向负载提供能量，因此负载电流有效值与变压器次级电流有效值相同。那么电路的功率因数可以按下式计算例1：单相全控桥式整流电路给电阻性负载供电，要求整流输出电压能在0~100V内连续可调，负载最大电流20A，（1）由220V交流电网直接供电时，计算晶闸管的控制角和电流有效值、电源容量及时电源的功率因数。（2）采用降压变压器供电，并考虑最小控制角时，求变压器变比K及时电源的功率因数。2）电感性负载例如各种电机的励磁绕组，整流输出端接有平波电抗器的负载等。图2-8为单相桥式全控整流电路带电感性负载的电路。假设电路电感很大，输出电流连续，电路处于稳态。(a)电路图(b)波形图图2-8单相桥式全控整流电路带电感性负载单相全控桥式整流电路带电感性负载电路参数的计算：①输出电压平均值的计算公式：在时，输出电压Ud最大，；至在时，输出电压Ud最小，等于零。因此的移相范围是0°～90°。②负载电流平均值的计算公式：③流过一只晶闸管的电流的平均值和有效值的计算公式：④晶闸管可能承受的最大电压为：3）带续流二极管为了扩大移相范围，去掉输出电压的负值，提高Ud的值，也可以在负载两端并联续流二极管，如图2-9所示。接了续流二极管以后，的移相范围可以扩大到0°～180°。图2-9并接续流二极管的单相全控桥例2：单相全控桥式整流电路给大电感性负载供电，已知电感足够大，电阻10Ω，若要求在0~200V内连续可调，且，按不接续流二极管和接续流二极管两种情况选择晶闸管型号。请读者自行分析单相桥式半控整流电路课后小结：1单相桥式结构特点2整流电路的概念3负载性质的特点4会进行性定性分析和定量分析（重点，难点）教案设正课正课

课题第九讲有源逆变电路目的与要求1什么是有源逆变2有源逆变电路的工作过程3有源逆变失败的原因重点什么是有源逆变有源逆变电路的工作过程难点有源逆变失败的原因教具复习提问1、什么是整流电路2、整流和逆变的区别新知识点考查布置作业课后回忆备注教员党智乾教研室主任批阅系部审查意见3.1两电源间的能量传递如图2-14所示，我们来分析一下两个电源间的功率传递问题。(a)电源逆串(b)电源逆串，极性与图(a)相反(c)电源顺串图2-14两个直流电源间的功率传递通过上述分析，我们知道：=1\*GB3①无论电源是顺串还是逆串，只要电流从电源正极端流出，则该电源就输出功率。=2\*GB3②两个电源逆串连接时，回路电流从电动势高的电源正极流向电动势低的电源正极。如果回路电阻很小，即使两电源电动势之差不大，也可产生足够大的回路电流，使两电源间交换很大的功率。=3\*GB3③两个电源顺串时，相当于两电源电动势相加后再通过R短路，若回路电阻R很小，则回路电流会非常大，这种情况在实际应用中应当避免。3.2有源逆变的工作原理在上述两电源回路中，若用晶闸管变流装置的输出电压代替E1，用直流电机的反电动势代替E2，就成了晶闸管变流装置与直流电机负载之间进行能量交换的问题，如图2-9所示。(a)电路图(b)整流状态下的波形图(c)逆变状态下的波形图图2-15单相桥式变流电路整流与逆变原理综上所述，实现有源逆变必须满足下列条件：=1\*GB3①外部条件：变流装置的直流侧必须外接电压极性与晶闸管导通方向一致的直流电源，且其值稍大于变流装置直流侧的平均电压。这个直流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势，它是使电能从变流器的直流侧回馈交流电网的源泉，其值稍大于变流器直流侧输出的直流平均电压。=2\*GB3②内部条件：变流装置必须工作在＜90°（即＞90°）区间，使其输出直流电压极性与整流状态时相反，才能将直流功率逆变为交流功率送至交流电网。上述两条必须同时具备才能实现有源逆变。为了保持逆变电流连续，逆变电路中都要串接大电感。要指出的是，半控桥或接有续流二极管的电路，因它们不可能输出负电压，也不允许直流侧接上直流输出反极性的直流电动势，所以这此电路不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。逆变失败的原因造成逆变失败的原因主要有以下几种情况：①触发电路故障。如触发脉冲丢失、脉冲延时等不能适时、不能准确的向晶闸管分配脉冲的情况，均会导致晶闸管不能正常换相。②晶闸管故障。如晶闸管失去正常导通或阻断能力，该导通时不能导通，该阻断时不能阻断，均会导致逆变失败。③逆变状态时交流电源突然缺相或电源电压太低。由于此时变流器的交流侧失去了与直流电动势E极性相反的电压，致使直流电动势经过晶闸管形成短路。④逆变角取值过小，造成换相失败。因为电路存在大感性负载，会使欲导通的晶闸管不能瞬间导通，欲关断的晶闸管也不能瞬间完全关断，因此就存在换相时两个管子同时导通的情况，这种在换相时两个晶闸管同时导通的所对应的电角度称为的换相重叠角。逆变角可能小换相重叠角，即＜，则到了点时刻换流还未结束，此后使得该关断的晶闸管又承受正向电压而导通，尚未导通的晶闸管则在短暂的导通之后又受反压而关断，这相当于触发脉冲丢失，造成逆变失败。图2-16有源逆变换流失败（3）逆变失败的限制为了防止逆变失败，采取如下措施可预防逆变失败。采用可靠的触发电路，保证触发脉冲不丢失不延迟；选用有足够阻断能力的晶闸管，防止误导通；角不能太小，不需限制在某一允许的最小角度之内。逆变时允许的最小逆变角应考虑几个因素：不得小于换向重叠角，考虑晶闸管本身关断时所对应的电角度，考虑一个安全裕量等，这样最小逆变角的取值一般为≥30°～35°为防止小于，有时要在触发电路中设置保护电路，使减小时，不能进入＜的区域。此外还可在电路中加上安全脉冲产生装置，安全脉冲位置就设在处。课后小结：1、什么是有源逆变2、有源逆变电路的工作过程（重点）3、有源逆变失败的原因（难点）

课题第十讲、十一讲同步信号为锯齿波的触发电路目的与要求1锯齿波同步触发电路的工作原理2双脉冲形成的过程3同步的概念和意义4如何实现同步重点锯齿波同步触发电路的工作原理双脉冲形成的过程难点同步的概念和意义，如何实现同步教具复习提问1、触发脉冲的要求2、为什么要同步，不同步有什么危害新知识点考查布置作业课后回忆备注教员教研室主任批阅系部审查意见4.1锯齿波同步触发电路锯齿波同步触发电路有锯齿波形成、同步移相、脉冲形成放大环节、双脉冲、强触发环节组成。可触发200A的晶闸管。由于同步电压采用锯齿波，不直接受电网波动与波形畸变的影响，移相范围宽，在大中容量设备中得到广泛应用。图2-17锯齿波同步触发电路原理图1）锯齿波形成2）同步环节3）脉冲形成、整形和放大输出环节4）强触发环节5）双脉冲形成环节图2-19触发电路实现双脉冲连接的示意图图2-18锯齿波同步触发电路波形图4.2集成触发电路（1）KC04移相集成触发器KC04移相集成触发器采用16引封装封装形式，主要用于单相或三相全控桥装置。见图2-20KC04组成的移相式触发电路它与分立元件组成的锯齿波触发电路一样，其内部电路由同步检测环节、锯齿波形成环节、移向环节、脉冲形成环节、脉冲分选与放大输出环节等五个环节组成。此触发电路为正极性型电路，及控制电压增加晶闸管输出电压也增加。（2）KC41C六路双脉冲形成器KC41C与三块KC04可组成三相全控桥双脉冲触发电路，如图2-23所示。把三块KC04触发器的6各输出端分别接到KC41C的1～6端，KC41C内部二极管具有的“或”功能形成双窄脉冲，再由集成电路内部6只三极管放大，从10～15端外接的晶体管作功率放大可得到800mA触发脉冲电流，可触发打功率的晶闸管。KC41C采用16脚封装结构，如图2-12所示，其中①～⑥脚是六路脉冲输入端(如三片KC04的六个输出脉冲)，每路脉冲由输入二极管送给本相和前相，再由T1～T6组成的六路电流放大器，分六路输出。T7组成电子开关，当控制端⑦脚接低电平时，T7截止，⑾～⒃脚有脉冲输出。当⑦脚接高电平时，T7导通，各路输出脉冲被封锁。（3）触发电路与主电路电压的同步制作或修理调整晶闸管装置时，常会碰到一种故障现象：在单独检查晶闸管主电路时，接线正确，元件完好；单独检查触发电路时，各点电压波形、输出脉冲正常，调节控制电压Uc时，脉冲移相符合要求。但是当主电路与触发电路连接后，工作不正常，直流输出电压ud波形不规则、不稳定，移相调节不能工作。这种故障是由于送到主电路各晶闸管的触发脉冲与其阳极电压之间相位没有正确对应，造成晶闸管工作时控制角不一致，甚至使有的晶闸管触发脉冲在阳极电压负值时出现，当然不能导通。怎样才能消除这种故障使装置工作正常呢？这就是本节要讨论的触发电路与主电路之间的同步(定相)问题。１．同步的定义前面分析可知，触发脉冲必须在管子阳极电压为正时的某一区间内出现，晶闸管才能被触发导通，而在锯齿波移相触发电路中，送出脉冲的时刻是由接到触发电路不同相位的同步电压us来定位，有控制与偏移电压大小来决定移相。因此必须根据被触发晶闸管的阳极电压相位，正确供给触发电路特定相位的同步电压，才能使触发电路分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲。这种正确选择同步信号电压相位以及得到不同相位同步信号电压的方法，称为晶闸管装置的同步或定相。２．触发电路同步电压的确定触发电路同步电压的确定包括两方面内容：根据晶闸管主电路的结构、所带负载的性质及采用的触发电路的形式，确定出该触发电路能够满足移相要求的同步电压与晶闸管阳极电压的相位关系。（2）用三相同步变压器的不同连接方式或再配合阻容移相得到上述确定的同步电压。3．实现同步的方法实现同步的方法步骤如下：（1）：根据主电路的结构、负载的性质及触发电路的型式与脉冲移相范围的要求，确定该触发电路的同步电压us与对应晶闸管阳极电压uu之间的相位关系。（2）：根据整流变压器TR的接法，以定位某线电压作参考矢量，画出整流变压器二次电压也就是晶闸管阳极电压的矢量，再根据步骤１确定的同步电压us与晶闸管阳极电压uu的相位关系，画出电源的同步相电压和同步线电压矢量。（3）：根据同步变压器二次线电压矢量位置，定出同步变压器TS的钟点数的接法，然后确定出usu、usv、usw分别接到VT1、VT3、VT5管触发电路输入端；确定出us(-u)、us(-v)、us(-w)分别接到VT4、VT6、VT2管触发电路的输入端，这样就保证了触发电路与主电路的同步。4．同步举例例：三相全控桥整流电路，直流电动机负载，不要求可逆运转，整流变压器TR为D，y1接线组别，触发电路采用本书锯齿波同步的触发电路，考虑锯齿波起始段的非线性，故留出60度余量。试按简化相量图的方法来确定同步变压器的接线组别及变压器绕组联结法。课后小结：1锯齿波同步触发电路的工作原理（重点）2双脉冲形成的过程（重点）3同步的概念和意义（重点难点）4如何实现同步（重点难点）正课正课课题第十二讲双向晶闸管目的与要求1双向晶闸管的结构2双向晶闸管的工作原理3双向晶闸管的主要参数4双向晶闸管的驱动电路重点双向晶闸管的工作原理双向晶闸管的主要参数难点双向晶闸管的驱动电路及应用教具复习提问1、普通晶闸管的结构2、普通晶闸管的应用新知识点考查布置作业课后回忆备注教员党智乾教研室主任批阅系部审查意见一、双向晶闸管双向晶闸管广泛应用于工业交通、家用电器等领域，实现交流调压、电机调速、交流开关、路灯自动开启与关闭、温度控制、台灯调光、家用全自动洗衣机、舞台调光灯等多种功能。双向晶闸管是一种控制交流功率的理想器件，主要应用于交流无触点继电器、交流相位控制等。双向晶闸管是由N-P-N-P-N五层半导体材料制成的，对外也引出三个电极，包括两个主电极T1、T2，一个门极G，但只有一个控制极。其内部结构、等效电路及图形符号如图3-3所示。图3-3双向晶闸管的内部结构、等效电路及图形符号由图3-3可见，双向晶闸管相当于两个晶闸管反并联，不过它只有一个门极G。其内部结构特点使得门极G相对于T1端无论是正的或是负的，都能触发，而且T1相对于T2既可以是正，也可以是负。双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式、平板式，其外形如图3-4所示。常见的双向晶闸管引脚排列如图3-5所示。(a)塑封式(b)螺栓式(c)平板式图3-4双向晶闸管的外形图3-5常见双向晶闸管的引脚排列双向晶闸管与单向晶闸管一样，也具有触发控制特性。但它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同，即无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲是什么极性的，都可以使双向晶闸管导通。由于双向晶闸管在阳、阴极间接任何极性的工作电压都可以实现触发控制，因此双向晶闸管的主电极也就没有阳极、阴极之分，通常将接在P型半导体材料上的主电极称为T1电极，将接在N型半导体材料上的电极称为T2电极。由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分，所以它的参数中也就没有正向峰值电压与反同峰值电压之分，而只用一个最大峰值电压，双向晶闸管的其他参数则与单向晶闸管相同。导通条件是主电极与主电极之间加足够的正向或反向电压，同时门极与主电极之间加足够正反向电压，两个条件均须满足。关断条件是阳极电流小于维持电流或主电极与主电极之间电压降为零，两个条件需满足其一即可。二、双向晶闸管的特性与普通晶闸管不同，双向晶闸管有正反向对称的伏安特性曲线。如图3-6所示，由于双向晶闸管正、反特性具有对称性，所以它可在任何一个方向导通，是一种理想的交流开关器件。正向部分位于第Ⅰ象限，反向部分位于第Ⅲ象限，并约定：双向晶闸管的T1极为正、T2极为负时的特性是第=1\*ROMANI象限特性；而T1极为负、T2极为正时的特性为第=3\*ROMANIII象限。图3-6双向晶闸管伏安特性双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式。（1）Ⅰ+触发方式。主极T1为正，T2为负；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅰ象限。（2）Ⅰ-触发方式。主极T1为正，T2为负；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅰ象限。（3）Ⅲ+触发方式。主极T1为负，T2为正；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅲ象限。（4）Ⅲ-触发方式。主极T1为负，T2为正；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅲ象限。三、双向晶闸管的型号与参数1.双向晶闸管的型号及含义2.双向晶闸管的主要参数(1)额定通态电流IT(RMS)(额定电流)。（2）断态重复峰值电压(额定电压)。（3）换向能力。电压上升率是一个重要参数，它反映双向晶闸管的换向能力。四、双向晶闸管的触发电路1.简易触发电路图3-7为双向晶闸管简易触发电路。图(a)为双向晶闸管阻容移相电路，图中当开关S拨至“2”，双向晶闸管VT只在I+触发，负载RL上仅得到正半周电压；当S拨至“3”时，VT在正、负半周分别在I+、Ⅲ-触发，RL上得到正、负两个半周的电压，因而比置“2”时电压大。2.单结晶体管触发电路3.集成触发器课后小结：1双向晶闸管的结构2双向晶闸管的工作原理（重点）3双向晶闸管的主要参数（重点）4双向晶闸管的驱动电路（难点）教案设正课正课

课题第十三讲至十六讲交流调压电路目的与要求1单相交流调压电路工作原理2三相交流调压电路工作原理3电阻性负载时波形分析4电感性负载时波形分析重点1单相交流调压电路工作原理2三相交流调压电路工作原理难点调压电路的定性与定量分析的统一教具复习提问1、什么是整流电路2、什么是逆变电路新知识点考查交流调压电路的概念布置作业课后回忆备注教员党智乾教研室主任批阅系部审查意见交流调压电路交流变换实质上就是交流变交流（AC/AC变换），也就是把一个交流电变化为另一个交流电，是交流信号之间的变换。交流变换电路是把一种形式的交流电变成另一种形式的交流电的电路。这里包含两块的内容：第一大块内容是交流调压电路，它把一种交流电转换为另一种交流电，输出的电压大小发生变化，频率不变。第二大块内容是交交变频电路，它使交流信号的频率发生变化，在直接变频的同时也可实现电压变换，即直接实现降频、降压变换。本节将重点介绍交流调压电路。一、交流调压电路的控制方式交流调压电路是用来变换交流电压幅值（或有效值）的电路。交流调压电路的控制方式一般有通断控制、相位控制和斩波控制。1.通断控制图3-11通断控制通断控制就是在交流电压过零时刻让两个管子导通一段时间，再关断一段时间，如此交替，这种控制方式在导通时输出电压为正弦波，关断时输出电压为0。由于输出电压时有时无，电压调节不连续，如图3-11所示。那么这种情况适合于什么？用这种控制方式能否控制电机？如果接异步电机，电压通一下断一下，实质上每次接通电机都会受到一个冲击，电机震动得很厉害，噪声很大，因此它不适合控制异步电机。例如，接一个异步电机，电压通一下断一下，再通一下断一下，实质上电机每通一下电机会受到一个冲击，电机震动很厉害，噪声很大，因此不适合后面是异步电机的负载。这种控制方式对于加热、电炉这种负载比较合适。例如，要控制电炉的温度，通一下断一下，等电炉的炉丝热起来后，在很短的时间断一下，通一下，再断一下的时候，电炉炉丝的温度不会很快降下来，因为它的时间常数很大。因此，这种方式适合时间常数较大的负载，如加热、电炉调温等交流功率调节的场合。其优点是控制方式简单，功率因数高；缺点是输出的电压或者功率调节不连续，不平滑。2.相位控制图3-12相位控制相位控制是用得最多的一种控制方式。如图3-12所示，正半周时T1触发导通，产生正的波形；负半周时T2触发导通，产生负的波形。如此正负交替，只要控制角的大小，就可以调节控制输出电压的有效值。它和整流电路方法类似。用一个三相的交流调压器接电机负载，采用这种控制方式可以运行，只是波形较差，谐波成分较多，对电机的运行会有一些影响。如常见的电机软起动器，实质上是一种调压电路，使用相位控制时，可以使电机起动时保证起动电流不能太大。电机起动时其起动电流会达到额定电流的7~8倍，可能会引起很大的冲击，使局部电网崩溃。一般在起动时要采取一定的措施，如串电阻起动、降压起动等。软起动实质上是把电机端电压降下来，慢慢地按照一定的变化规律增加端电压，使电机逐步起动。这一般也是用调压路。相位控制的特点是：方法简单，能连续调节输出电压的大小；但输出波形非正弦波，含有丰富的谐波分量，在异步电动机调压调速时会引起附加谐波损耗，产生脉动转矩等。3.斩波控制图3-13斩波控制斩波控制是利用脉宽调制技术将交流电压波形分割成脉冲列，通过改变脉冲的宽度来改变输出电压大小，如图3-13所示。斩波控制的波形很好，输出电压波形就是一个正弦波，谐波分量非常小，但是也存在问题，即在半个周期内需要实现较高频率的通、断，不能采用普通晶闸管，必须采用自关断器件（全控型器件）控制，如GTO、GTR、MOS、IGBT等。二、单相交流调压原理电风扇无级调速器实际上就是负载为电感性的单相交流调压电路。交流调压是将一种幅值的交流电能转化为同频率的另一种幅值的交流电能。单向交流电压电路的工作情况与它的负载性质有关。1.电阻性负载图3-14(a)所示为一双向晶闸管与电阻负载（RL）组成的交流调压主电路，图中的双向晶闸管也可改用两只反并联的普通晶闸管，但需要两组独立的触发电路分别控制两只晶闸管。在电源正半周，ωt＝时触发VT导通，有正向电流流过RL，负载端电压uR为正值，电流过零时VT自行关断；在电源负半周，ωt＝π＋时，再触发VT导通，有反向电流流过RL，其端电压uR为负值，到电流过零时VT再次自行关断。然后重复上述过程。改变即可调节负载两端的输出电压有效值，达到交流调压的目的。电阻负载上的交流电压有效值为电流有效值为电路功率因数为电路的移相范围为0~π。（a）电路图（a）电路图(b)波形图图3-14单相交流调压电路电阻负载电路及波形教案设2.电感性负载图3-15所示为电感性负载的交流调压电路。由于电感的作用，在电源电压由正向负过零时，负载中电流要滞后一定角度才能到零，即管子要继续导通到电源电压的负半周才能关断。晶闸管的导通角θ不仅与控制角有关，而且与负载的功率因数角有关。控制角越小，则导通角越大，负载的功率因数角越大，表明负载感抗大，自感电动势使电流过零的时间越长，因而导通角θ越大，见图3-16。三种情况下调压电路的工作情况如表3-7所示。三、三相交流调压原理单相交流调压适用于单相容量小的负载，当交流功率调节容量较大时，通常采用三相交流调压电路，如三相电热器、电解与电镀等设备。三相交流调压的电路有多种形式，负载可连接成三角形或星形。1.三相四线制调压电路如图3-17所示，电路特点如下。（1）相当于三个独立的单相交流调压电路组合而成。（2）存在中性线，但3次谐波在中线中的电流大，故中线的导线截面要求与相线一致。（3）晶闸管的门极触发脉冲信号同相间两管的触发脉冲要互差180°。（4）各晶闸管导通顺序为T1~T6，依次滞后间隔60°。（5）因存在中线，可采用窄脉冲触发。图3-17三相交流调压电路图3-18三相三线制交流调压电路2.三相三线制交流调压电路如图3-18所示，电路特点如下。（1）每相电路必须通过另一相形成回路。（2）负载接线灵活，且不用中性线。（3）晶闸管的触发电路必须是双脉冲，或者是宽度大于60°的单脉冲。（4）触发脉冲顺序和三相全控桥一样，为T1～T6，依次间隔60°；（5）电压过零处定为控制角的起点，a角移相范围是0°～150°；（6）输出谐波含量低，无3次谐波分量。三相三线制交流调压电路，改变a，电路中晶闸管的导电模式：（1）当0°≤a<60°时，三个晶闸管导通与两个晶闸管导通交替，每管导通180°－a；但a=0°时一直是三管导通，图3-19(a)所示为a=30°时的负载电压波形。图3-19(a)a=30°时负载相电压波形（2）当60°≤a<90°时，两管导通，每管导通120°。图3-19(b)所示为a=60°时负载的电压波形。图3-19(b)a=60°时负载相电压波形图3-19(c)a=120°时负载相电压波形（3）当90°≤a<150°时，两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300°－2a。图3-19(c)所示为a=120°时的负载电压波形。三相交流调压电路接线方式及性能特点如表3-8所示。表3-8三相交流调压电路接线方式及性能特点课后小结：正课正课1单相交流调压电路工作原理（重点）2三相交流调压电路工作原理（重点）3电阻性负载时波形分析（重点、难点）4电感性负载时波形分析（重点、难点）

课题第十七讲开关器件目的与要求1GTR的结构和工作原理2MOSFET的结构和工作原理3开关器件的驱动保护4GTR、MOSFET的主要参数重点1GTR的结构和工作原理2MOSFET的结构和工作原理难点GTR、MOSFET的驱动和保护教具复习提问1、SCR结构和工作原理2、GTO的结构和工作原理新知识点考查布置作业课后回忆备注教员党智乾教研室主任批阅系部审查意见任务一开关器件开关器件有许多，经常使用的是场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT），在小功率开关电源上也使用大功率晶体管（GTR）。本模块介绍GTR和MOSFET两种开关器件，IGBT在模块六中介绍。一、大功率晶体管1.大功率晶体管的结构和工作原理（1）基本结构。通常把集电极最大允许耗散功率在1W以上，或最大集电极电流在1A以上的晶体管称为大功率晶体管（GTR），其结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。它由三层半导体、两个PN结组成，有PNP和NPN两种结构，其电流由两种载流子（电子和空穴）的运动形成，所以称为双极型晶体管。图4-4（a）是NPN型GTR的内部结构，电气图形符号如图4-4（b）所示。大多数GTR是用三重扩散法制成的，或者在集电极高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩散掺杂的N+发射区。(a)GTR的结构(b）电气图形符号(c）内部载流子的流动图4-4GTR的结构、电气图形符号和内部载流子流动2.GTR的特性与主要参数（1）GTR的基本特性。①静态特性。共发射极接法时，GTR的典型输出特性如图4-6所示，可分为以下三个工作区。截止区。在截止区内，Ib≤0，Ube≤0，Ubc＜0，集电极只有漏电流流过。放大区。Ib＞0，Ube＞0，Ubc＜0，Ic=βIb。饱和区。，Ube＞0，Ubc＞0。Ics是集电极饱和电流，其值由外电路决定。两个PN结都为正向偏置。饱和时集电极、发射极间的管压降Uces很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，若Ib继续增加，则为过饱和。用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低Uces和减小导通时的损耗。图4-6GTR共发射极接法的输出特性②动态特性。动态特性描述GTR开关过程的瞬态性能，又称开关特性。GTR在实际应用中，通常工作在频繁开关状态。为正确、有效地使用GTR，应了解其开关特性。图4-7所示为GTR开关特性的基极、集电极电流波形。整个工作过程分为开通过程、导通状态、关断过程和阻断状态4个不同的阶段。图中，开通时间ton对应着GTR由截止到饱和的开通过程，关断时间toff对应着GTR由饱和到截止的关断过程。GTR的开通过程是从t0时刻起注入基极驱动电流，这时并不能立刻产生集电极电流。过一小段时间后，集电极电流开始上升，逐渐增至饱和电流值Ics。把ic达到10%Ics的时刻定为t1，达到90%Ics的时刻定为t2，则把t0到t1这段时间称为延迟时间，以td表示；把t1到t2这段时间称为上升时间，以tr表示。3.GTR的二次击穿和安全工作区（1）二次击穿问题。实践表明，GTR即使工作在最大耗散功率范围内，仍有可能突然损坏，其一般是由二次击穿引起的。二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。二次击穿是由于集电极电压升高到一定值（未达到极限值）时，发生雪崩效应造成的。理论上，只要功耗不超过极限值，管子是可以承受的，但在实际使用中，出现负阻效应，Ie进一步剧增。由于管子结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使管子损坏。二次击穿在纳秒到微秒之间完成，由于管子的材料、工艺等因素的分散性，二次击穿难以计算和预测。防止二次击穿的办法如下。①应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。②必须有电压电流缓冲保护措施。安全工作区。4.GTR的驱动与保护（1）GTR基极驱动电路。①对基极驱动电路的要求。由于GTR主电路电压较高，控制电路电压较低，所以应实现主电路与控制电路间的电隔离。在使GTR导通时，基极正向驱动电流应有足够陡的前沿，并有一定幅度的强制电流，以加速开通过程，减小开通损耗，如图4-9所示。GTR导通期间，在任何负载下，基极电流都应使GTR处在临界饱和状态，这样既可降低导通饱和压降，又可缩短关断时间。在使GTR关断时，应向基极提供足够大的反向基极电流（如图4-9波形所示），以加快关断速度，减小关段损耗。应有较强的抗干扰能力，并有一定的保护功能。图4-9GTR基极驱动电流波形②基极驱动电路。图4-10是一个简单实用的GTR驱动电路。该电路采用正、负双电源供电。当输入信号为高电平时，晶体管V1、V2和V3导通，而V4截止，这时V5就导通。二极管VD3可以保证GTR导通时工作在临界饱和状态。流过二极管VD3的电流随GTR的临界饱和程度而改变，自动调节基极电流。当输入低电平时，V1、V2、V3截止，而V4导通，这就给GTR的基极一个负电流，使GTR截止。在V4导通期间，GTR的基极-发射极一直处于负偏置状态，这就避免了反向电流的通过，从而防止同一桥臂另一个GTR导通产生过电流。图4-10实用的GTR驱动电路教二、功率场效应晶体管功率场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET）与GTR相比，具有开关速度快、损耗低、驱动电流小、无二次击穿现象等优点。它的缺点是电压还不能太高，电流容量也不能太大，所以目前只适用于小功率电力电子变流装置。1.功率MOSFET的结构及工作原理（1）结构。功率场效应晶体管是压控型器件，其门极控制信号是电压。它的三个极分别是栅极G、源极S和漏极D。功率场效应晶体管有N沟道和P沟道两种。N沟道中的载流子是电子，P沟道中的载流子是空穴，都是多数载流子。其中，每一类又可分为增强型和耗尽型两种。耗尽型就是当栅源电压UGS=0时存在导电沟道，漏极电流ID≠0；增强型就是当UGS=0时没有导电沟道，ID=0，只有当UGS>0（N沟道）或UGS<0（P沟道）时才开始有ID。功率MOSFET绝大多数是N沟道增强型。N沟道和P沟道MOSFET的电气图形符号如图4-12所示。（a）功率MOSFET的结构（b）电气图形符号图4-12功率MOSFET的结构和电气图形符号2.功率MOSFET的特性与参数（1）功率MOSFET的特性。①转移特性。ID和UGS的关系曲线反映了输入电压和输出电流的关系，称为MOSFET的转移特性，如图4-14（a）所示。从图中可知，UGS较小时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导，即 MOSFET是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。（a）转移特性（b）输出特性图4-14电力MOSFET的转移特性和输出特性②输出特性。图4-14(b）是MOSFET的漏极伏安特性，即输出特性。从图中可以看出，MOSFET有三个工作区。 截止区。UGS≤UT，ID=0，这和电力晶体管的截止区相对应。饱和区。UGS＞UT，UDS≥UGS－UT。当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而增加，近似为一常数，故称饱和区。这里的饱和区并不和电力晶体管的饱和区对应，而对应于后者的放大区。当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。课后小结：1GTR的结构和工作原理（重点）2MOSFET的结构和工作原理（重点）3开关器件的驱动保护（难点）4GTR、MOSFET的主要参数（重点）

课题第十八讲降压变换电路目的与要求1降压变