电力电子技术课标教案

《电力电子技术》课程标准【课程名称】电力电子技术 【课程编码】【课程类别】专业基础课 【适用专业】机电类相关专业【授课单位】 【总学时】24【教材】【编写执笔人】 【编写日期】一、课程定位和课程设计1.1课程性质本课程是机电类相关专业的基础课，是依据该专业人才培养目标和相关职业岗位(群)的能力要求而设置的，对本课程所面向的机电类专业所需要的知识、技能和素质目标的达成起支撑作用。《电力电子技术》是一门应用性很强的专业基础课，主要研究电力电子器件、电力电子电路和电力变换，内容上包含了常用电力电子器件、整流电路、逆变电路、直流变流电路、交流变流电路、电力电子电路的保护措施和控制电路，实践性较强，要求学生既要掌握基础理论知识，又要提高实践应用能力。教学中采用模块组合、项目教学的教学方法，注重理论与实践的融合，教、学、做一体化，激发学生学习热情，从而提高学生分析问题和解决问题的能力。进步提高学生综合素质，增强适应职业变化的能力，为其他专业课程打下基础。1.2课程设计思路本课程将知识传授、能力培养、人才成长与理想信念、价值理念、道德观念教育有机结合，将素质教育融入知识教育，帮助学生树立正确的世界观、人生观、价值观，培养学生爱党爱国、守正创新、甘于奉献的职业素养。将课程内容分成若干个项目，每个项目分成若干个任务，每个任务按照“任务引入”、“任务工单”、“任务实施”、“相关知识”的结构安排内容。任务引入：通过应用案例、知识背景等引出知识点，以激发学生的学习兴趣，让学生对与本任务相关的实际情况有一个初步的认识。任务工单：首先以思维导图的形式梳理本任务将要学习的知识，其次明确本任务需要掌握的技能，最后引导学生以小组形式分析任务、实施任务，帮助学生培养自主学习的意识和能力。任务实施：让学生测试典型元器件和电路的性能，注重培养学生的实践能力，提高学生的技能水平，体现职业教育的特色。相关知识：作为任务实施的理论支撑，侧重介绍相关技术原理及其在工程实际中的应用方法。二、课程目标1．知识目标（1）掌握电力二极管和晶闸管的工作原理和主要特性，熟悉其选用方法。（2）了解其他半控型电力电子器件。（3）熟悉门极可关断晶闸管、电力晶体管和电力场效应晶体管的工作原理、主要特性和选用方法。（4）掌握绝缘栅双极晶体管的工作原理、主要特性和选用方法。（5）了解整流电路的组成、分类及参数。（6）掌握单相半波可控整流电路以及单相桥式全控整流电路的结构、工作原理和基本参数。（7）掌握三相半波可控整流电路以及三相桥式全控整流电路的结构、工作原理和基本参数。（8）了解逆变电路的分类和换相方式，掌握有源逆变的变换原理。（9）掌握三相桥式有源逆变电路的工作原理和基本参数。（10）掌握无源逆变的变换原理，掌握电压型无源逆变电路的工作原理。（11）了解电流型无源逆变电路的工作原理。（12）掌握直流变流电路的分类和变换原理。（13）了掌握降压、升压、升降压斩波电路的工作原理和基本参数。（14）了解库克斩波电路的工作原理和基本参数。（15）掌握单端直流变流电路以及双端直流变流电路的工作原理和基本参数。（16）了解交流变流电路的分类及特点。（17）掌握单相交流调压电路的工作原理和基本参数。（18）掌握三相交流调压电路的连接方式和工作原理。（19）掌握交-交变频电路的工作原理和应用，了解交-直-交变频电路的分类及特点。（20）掌握单相交-直-交变频电路的工作原理。（21）了解电力电子电路的过电压和过电流保护措施以及缓冲电路的基本知识。（22）掌握PWM控制电路的工作原理及分类，了解PWM控制电路的典型应用。（23）掌握软开关电路的工作原理和分类，了解软开关电路的典型应用。2．能力目标（1）能测试晶闸管的动态特性。（2）能测试绝缘栅双极晶体管的特性。（3）能测试单相半波可控整流电路。（4）能测试三相桥式全控整流电路。（5）能测试三相桥式有源逆变电路。（6）能测试电压型无源逆变电路。（7）能测试基本直流斩波电路。（8）能测试正激电路。（9）能测试单相交流调压电路。（10）能测试单相交-直-交变频电路。（11）能分析IGBT的缓冲电路。（12）能测试单相桥式电压型PWM逆变电路。（13）能分析零电压开关准谐振电路。3．素质（思政）目标（1）树立科技报国、科技强国的理想信念（2）增强节能环保的绿色意识。（3）养成节约用电的良好习惯，增强安全用电的意识。（4）提高应对挑战的能力。（5）增强内心坚韧的力量。（6）树立清晰的人生目标和职业理想，培养良好的职业习惯。（7）树立积极向上的精神面貌，弘扬正能量。三、课程内容与教学要求本课程内容分为6部分，内容包括电力电子器件、整流电路、逆变电路、直流变流电路、交流变流电路、电力电子电路的保护措施和控制电路，其教学要求和课时分配如表1所示。表1《电力电子技术》课程要求及课时分配表项目课程名称教学目标教学要求课时分配项目1常用电力电子器件任务1.1认识不可控和半控型电力电子器件任务1.2认识全控型电力电子器件（1）掌握电力二极管和晶闸管的工作原理和主要特性。（2）熟悉电力二极管和晶闸管的选用方法。（3）了解其他半控型电力电子器件。（4）熟悉门极可关断晶闸管、电力晶体管和电力场效应晶体管的工作原理、主要特性和选用方法。（5）掌握绝缘栅双极晶体管的工作原理和主要特性。（6）熟悉绝缘栅双极晶体管的选用方法。（1）能测试晶闸管的动态特性。（2）能测试绝缘栅双极晶体管的特性。4项目2整流电路任务2.1测试单相可控整流电路任务2.2测试三相可控整流电路（1）了解整流电路的组成、分类及参数。（2）掌握单相半波可控整流电路的结构、工作原理和基本参数。（3）掌握单相桥式全控整流电路的结构、工作原理和基本参数。（4）掌握三相半波可控整流电路的结构、工作原理和基本参数。（5）掌握三相桥式全控整流电路的结构、工作原理和基本参数。（1）能够测量RLC的阻抗频率特性。（2）能够测量三相交流电路的电压和电流。4项目3逆变电路任务3.1测试有源逆变电路任务3.2认识三相异步电动机（1）了解逆变电路的分类和换相方式。（2）掌握有源逆变的变换原理。（3）掌握三相桥式有源逆变电路的工作原理和基本参数。（4）掌握无源逆变的变换原理。（5）掌握电压型无源逆变电路的工作原理。（6）了解电流型无源逆变电路的工作原理。（1）能测试三相桥式有源逆变电路。（2）能测试电压型无源逆变电路。4项目4直流变流电路任务4.1测试基本直流斩波电路任务4.2测试间接直流变流电路（1）掌握直流变流电路的分类和变换原理。（2）掌握降压、升压、升降压斩波电路的工作原理和基本参数。（3）了解库克斩波电路的工作原理和基本参数。（4）掌握单端直流变流电路的工作原理和基本参数。（5）掌握双端直流变流电路的工作原理和基本参数。（1）能测试基本直流斩波电路。（2）能测试正激电路。4项目5交流变流电路任务5.1测试交流调压电路任务5.2测试交流变频电路（1）了解交流变流电路的分类及特点。（2）掌握单相交流调压电路的工作原理和基本参数。（3）掌握三相交流调压电路的连接方式和工作原理。（4）掌握交-交变频电路的工作原理和应用。（5）了解交-直-交变频电路的分类及特点。（6）掌握单相交-直-交变频电路的工作原理。（1）能测试单相交流调压电路。（2）能测试单相交-直-交变频电路。4项目6电力电子电路的保护措施和控制电路任务6.1分析电力电子电路的保护措施任务6.2测试PWM控制电路任务6.3分析软开关电路（1）了解电力电子电路的过电压和过电流保护措施以及缓冲电路的基本知识。（2）掌握PWM控制电路的工作原理及分类。（3）了解PWM控制电路的典型应用。（4）掌握软开关电路的工作原理和分类。（5）了解软开关电路的典型应用。（1）能分析IGBT的缓冲电路。（2）能测试单相桥式电压型PWM逆变电路。（3）能分析零电压开关准谐振电路。4合计24四、课程实施4.1教学条件教学设施完善充足，如多媒体教室、实操间、网络教学平台、网络数据库等。同时，拥有一支强大的师资队伍，可以为本课程的教学出谋划策。4.2教学方法建议本课程遵循“教师引导，学生为主”的原则，采用讲解、多媒体演示、场景模拟法、讨论、翻转课堂等多种方法，努力为学生创设更多知识应用的机会。（1）讲解法：主要用于讲授本课程的基础知识、行业岗位知识等理论性较强的知识。（2）多媒体演示法：在讲解过程中，借助音频、视频、图片等直观手段来呈现教学内容，在激发其学习兴趣和积极性的同时，不断提高其知识储备能力和综合文化素质。（3）场景模拟法：针对所教内容布置任务，引导学生通过情景化的模拟训练来提升知识的实际应用能力和职业素养。（4）讨论法：根据知识点，鼓励学生运用所学知识进行主题讨论，使其在讨论中逐步提升交际能力、思辨能力、解决实际问题的能力等。（5）翻转课堂法：坚持学生的主体地位，鼓励学生在课上对自己学到的知识点进行分享和讲解，并对其讲解进行补充和评价，不断完善学生的知识结构，加深其对所学知识的理解。教师在教学过程中，可根据学生的实际情况灵活选用教学方法，因材施教，尽量照顾到每一个学生的学习需求。4.3教学评价与考核要求课程的教学评价由形成性测评（40%）和终结性测评（60%）组成，其考核要求如下：1．形成性测评形成性测评考核学生在学习本课程过程中的学习情况和实际应用能力的发展情况，包括出勤考核（10%）、课堂参与程度考核（10%）、作业完成质量考核（20%）等。（1）出勤考核：本项考核通过课前点名考核学生的课堂出勤率。迟到15分钟以内每次扣1分，迟到15分钟以上或无故缺勤一节课每次扣2分，该项考核累计最多扣10分。（2）课堂参与程度考核：本项考核主要通过课堂提问和课堂积极发言来评判学生的学习态度、学习主动性、课堂参与程度，以及学生的思辨能力、问题解决能力及其对课堂教学知识的掌握情况等。只要学生能按时上课听讲，即可获得5分的基本分。学生上课发言一次，即可另外获得0.5分，课堂发言最多可得5分。学生的最后成绩为“5+课堂发言得分”。（3）作业完成质量考核：本项考核主要通过学生作业来检测其对教学主体内容的掌握与理解程度、实际应用知识的能力、自主学习能力、信息收集与处理能力等。每次作业成绩按照相应标准而定，学生作业质量划分为优秀（10分）、良好（8分）、中等（7分）、及格（6分）和不及格（0分）五个档次。最后的作业成绩为学生作业完成质量成绩的平均数。2．终结性测评终结性测评主要考核学生在学完本课程后所达到的水平，通过期末考试进行考核。期末考试由闭卷笔试（60%）组成，主要评估学生对本门课程基本知识的掌握情况与综合运用能力。五、课程资源开发与利用5.1教材使用1．建议教材2．参考书目5.2网络资源《电力电子技术》

教案课时分配表章序课程内容课时备注1常用电力电子器件42整流电路43逆变电路44直流变流电路45交流变流电路46电力电子电路的保护措施和控制电路4合计24课题常用电力电子器件课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）掌握电力二极管和晶闸管的工作原理和主要特性。（2）熟悉电力二极管和晶闸管的选用方法。（3）了解其他半控型电力电子器件。（4）能测试晶闸管的动态特性思政育人目标：树立科技报国、科技强国的理想信念教学重难点教学重点：电力二极管和晶闸管的工作原理和主要特性、选用方法教学难点：电力二极管和晶闸管的工作原理和主要特性、选用方法教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材、万用表教学设计→→→→传授新知（45min）→实操练习（20min）→课堂小结（6min）→作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过或其他学习软件，完成课前任务请大家了解电力电子技术，查找资料，讨论本课程在专业中的作用。【学生】完成课前任务通过课前任务，使学生了解所学课程的重要性，增加学生的学习兴趣考勤

（2min）【教师】通过让学生签到【学生】签到，班干部交假条培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况新课预热

（10min）【教师】自我介绍，与学生简单互动，介绍课程内容、考核标准等【学生】聆听、互动【教师】通过图片或视频讲工业中电机与电气控制技术的应用【学生】聆听、记录、理解通过老师自我介绍，与学生相互熟悉，并让学生了解这门课的大致要求问题导入（5min）【教师】通过视频或图片讲解晶闸管是晶体闸流管的简称，又称可控硅，它是基本的半控型电力电子器件。自1956年诞生以来，晶闸管被广泛应用于交流变直流的整流电路中，并由此拉开了电力电子技术迅速发展的序幕。它由于能够以较小的功率控制大功率电力电子装置和设备，且具有很高的工作可靠性，因此在大功率的场合中占有非常重要的地位。例如，晶闸管可以用作电饭煲、微波炉、洗衣机等电器的开关，还可以用于电器的电压调节和功率控制，以提高电器的使用便利性和节能效果。常见的晶闸管有螺栓式、模块式、平板式和片状式等，如图1-1所示。晶闸管有3个引脚，分别是阳极A、阴极K和门极G。请选择合适的工具和器材，判断晶闸管各引脚的极性，并测试晶闸管的动态特性。（a）螺栓式（b）模块式（c）平板式（d）片状式图1-1常见的晶闸管【教师】提出以下问题：生活中哪些地方用到过晶闸管？举例说明。【学生】讨论、举手回答【教师】通过学生的回答引入要讲的知识通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知

（45min）一、电力二极管【教师】通过PPT讲解电力二极管电力二极管是指可承受大电压、大电流并具有较大耗散功率的二极管，它是一种不可控电力电子器件。基于PN结制成的。将PN结封装在外壳中并引出两个电极引脚，可以构成一个电力二极管。常见的电力二极管有螺栓式和平板式等，如图1-4所示。（a）螺栓式（b）平板式图1-4常见的电力二极管1．电力二极管的工作原理【教师】通过视频演示电力二极管的工作原理电力二极管的电气图形符号和内部结构如图1-5所示。其中，“”表示半导体的高掺杂浓度区域，“”表示半导体的低掺杂浓度区域。与用于信息处理的二极管的PN结不同，电力二极管的PN结通常采用垂直导电结构，即电流在硅片内流动的总体方向垂直于硅片表面，从而显著提高了电流的流通能力；而且PN结的区和区之间存在区，可使PN结在保持开通的同时为多子的扩散提供缓冲区域，从而使电力二极管能够承受更大的反向电压，满足其在大功率场合的使用要求。（a）电气图形符号（b）内部结构图1-5电力二极管的电气图形符号和内部结构【拓展】虽然区有助于电力二极管承受更大的反向电压，但是其所具有的大电阻不利于电流的正向开通，这个矛盾可通过电导调制效应来解决。当电力二极管PN结中流过的正向电流较小时，二极管内的电阻主要是区的电阻，阻值较大且为常量，因此正向电压将随着正向电流的增大而增大。随着PN结中正向电流的增大，空穴由区注入并积累在区，区空穴的浓度逐渐增大。此时，为了维持PN结的电中性，区多子的浓度也会相应增大，从而使区的电导率增大、电阻减小，这就是电导调制效应。【教师】提问：电力二极管导电吗？为什么？【学生】聆听、思考、举手回答2．电力二极管的主要特性电力二极管的主要特性包括静态特性和动态特性两类。其中，静态特性是指电力二极管的伏安特性，动态特性是指电力二极管在开通和关断状态转换过程中电压、电流随时间变化的特性。1）静态特性如图1-6所示为电力二极管的伏安特性曲线。电力二极管的伏安特性分为正向特性和反向特性两部分。其中，正向是指直流电流沿电力二极管低阻流动的方向，反向是指直流电流沿电力二极管高阻流动的方向。图1-6电力二极管的伏安特性曲线【教师】组织学生分组讨论问题：根据电力二极管的伏安特性曲线，请思考并回答电力二极管的伏安特性。【学生】聆听、思考、讨论【教师】随机邀请学生回答，并鼓励回答较好的学生。（1）正向特性。当施加在电力二极管上的正向电压小于门槛电压时，电力二极管呈现较大的电阻，通过电力二极管的正向电流很小，几乎为零；而当施加在电力二极管上的正向电压增大到时，电力二极管呈现很小的电阻，明显增大，电力二极管处于稳定开通状态（简称通态）。由流动在电力二极管两电极之间所产生的电压称为电力二极管的正向电压，用表示。电力二极管长期处于通态时，在一个周期内的平均值称为正向平均电流，用表示，它是电力二极管的额定电流。【拓展】在进行电路分析时，对于直流电路，其电压和电流一般采用平均值；对于交流电路，其电压和电流必须采用有效值；对于负载，其电压和电流通常采用有效值。为方便分析，本书用u、i表示电压和电流的瞬时值，用U、I表示电压和电流的平均值或有效值。（2）反向特性。当施加在电力二极管上的反向电压较小时，电力二极管只有少子引起的微小且数值恒定的反向电流通过，此时电力二极管处于关断状态（简称断态）。而当超过一定限值时，会急剧增大，从而造成电力二极管反向击穿。造成反向击穿的反向电压称为反向击穿电压，用表示。2）动态特性【教师】组织学生分组讨论问题：根据电力二极管的开通和关断特性曲线，请思考并回答电力二极管的开通和关断特性的应用。【学生】聆听、思考、讨论【教师】随机邀请学生回答，并鼓励回答较好的学生。（1）开通特性。电力二极管的开通特性是指其由零偏转为正偏的过程中电流和电压之间的关系。如图1-7所示为电力二极管的开通特性曲线，电力二极管由零偏转为正偏后，首先会出现一个过冲，在达到正向峰值电压后再经过一段时间才趋于稳定。这一动态过程时间即正向恢复时间。（2）关断特性。电力二极管的关断特性是指其由正偏转为反偏的过程中电流和电压之间的关系。如图1-8所示为电力二极管的关断特性曲线，其中为下降时刻，即电力二极管的外加电压从正向转为反向的时刻。从开始，在外加反向电压的作用下开始减小，并在时刻减小为零，而此时会因P结两侧存储的大量少子而基本不变。图1-7电力二极管的开通特性曲线图1-8电力二极管的关断特性曲线时刻后，转为反向，则随着PN结两侧存储的少子被抽取而减小，并在少子即将被抽尽时迅速转为反向。在时刻，PN结两侧存储的大量少子被抽尽，达到反向峰值电流，随后达到反向峰值电压。在时刻，减小为零，趋于稳定，。此时，电力二极管获得反向阻断能力，从而进入断态。电力二极管自减小至零时起到恢复反向阻断能力所需要的时间为反向恢复时间，。其中，称为延迟时间，称为电流下降时间。【拓展】与之比称为反向恢复系数，用表示，。越小，电力二极管反向恢复速度越快。3）结电容对电力二极管的影响【教师】提问：什么是结电容？有什么特性？【学生】聆听、思考、举手回答电力二极管PN结两侧的电荷量会随外加电压的变化而变化，即PN结呈现电容特性，该电容称为结电容。根据产生机制和作用的不同，可分为势垒电容和扩散电容两种。只有在PN结的外加电压变化时起作用，外加电压的频率越高，所起的作用越明显，并且的大小与PN结的横截面积成正比，与阻挡层（即空间电荷区）的厚度成反比。当电力二极管的正向电压较低时，为的主要成分；当正向电压较高时，为的主要成分，仅在PN结正偏时起作用。会影响PN结的工作频率，特别是在高速开关状态下，可能导致PN结的单向导电性变差，甚至使PN结不能工作。因此，限制了电力二极管工作频率的提高。【拓展】除了外，结温对电力二极管性能的影响也很大。结温是指电力二极管中PN结的平均温度，用表示。而最高工作结温是指电力二极管在PN结不损坏的前提下所能承受的最高平均温度，通常为125～175℃。3．电力二极管的选用选用电力二极管时，一般考虑以下方面。1）额定电流的确定由于是按照电流的发热效应来定义的，因此要按有效值相等的原则来选定。在实际应用中，应确保所选电力二极管的大于实际通过电力二极管的电流有效值，并预留1.5～2倍的裕量。2）额定电压的确定电力二极管的额定电压通常为反向重复峰值电压，它是电力二极管所能重复承受的最高反向峰值电压，通常为的2/3。为保证使用安全，一般会按照电力二极管反向工作峰值电压的两倍来确定。【教师】师生互动：电力二极管选型，应考虑哪些问题？【学生】聆听、思考、举手回答二、晶闸管【教师】通过ppt讲解晶闸管晶闸管是一种理想的大功率电力电子器件，它能够以较小的电流控制数千安的电流和数千伏的电压，被广泛应用于整流、逆变、交流调压、直流变换等场合。1.晶闸管的工作原理如图1-9（a）所示，如果在晶闸管的内部取一个倾斜的截面，则可将具有四层三端结构的晶闸管分成一个PNP型晶体管和一个NPN型晶体管，其内部等效结构如图1-9（b）所示。（a）（b）图1-9晶闸管的内部等效结构图1-10晶闸管的工作电路当断开时，向晶闸管施加正向，但断路，晶闸管的为零，门极无电流注入，因此晶闸管不会开通，处于正向阻断状态（简称断态）。【教师】提问：请结合晶闸管的工作电路图，试分析当S闭合时，晶闸管的工作过程？【学生】聆听、思考、举手回答当S闭合时，向晶闸管施加，从门极注入晶体管的基极，使晶体管产生集电极电流（，其中表示晶体管的电流放大倍数）；而又是晶体管的基极电流，因此晶体管产生了集电极电流（，其中表示晶体管的电流放大倍数）；流入晶体管的基极，又进一步增大了晶体管的基极电流。如此循环，晶闸管内部形成了强烈的正反馈，使晶体管和很快进入完全饱和状态，晶闸管将处于正向开通状态（简称通态）。晶闸管一旦开通，即使断开，使晶闸管的门极无电流注入，晶闸管在内部正反馈的作用下仍将保持通态，因此晶闸管属于半控型器件。晶闸管开通后，若要关断晶闸管，只有使其减小到维持晶闸管通态所必需的最小电流之下，这个最小电流称为维持电流，用表示。与晶闸管的结温有关，结温越高，越小。【拓展】关断晶闸管可采用的方法如下。（1）使晶闸管减小，使其低于，或去掉。（2）向晶闸管输入一定限度的反向，使晶闸管处于反向阻断状态。2．晶闸管的主要特性【教师】PPT图片讲解晶闸管的静态特性1）静态特性晶闸管的静态特性是指其在正常工作时，和之间的关系，即晶闸管阳极的伏安特性，其曲线如图1-11所示。其中，为参量，为正向转折电压，为反向击穿电压。图1-11晶闸管的静态特性曲线当时，给晶闸管施加正向，晶闸管将只有很小的正向漏电流通过，晶闸管处于断态。当大于时，静态特性曲线经负阻区（虚线）过渡到低阻区，此时变得很小，正向急剧增大，晶闸管处于通态，此时的阳极电压称为通态电压，即晶闸管开通时的管压降。晶闸管一旦开通，门极便失去了控制作用，此时不论门极是否存在，晶闸管都将保持开通。晶闸管开通后便移除触发电压，此时能保持晶闸管开通所需的最小称为擎住电流，用表示。通常是维持电流的2～4倍。当门极断路且结温为额定值时，允许重复施加在晶闸管上的正向峰值电压称为断态重复峰值电压，为断态不重复峰值电压的90%；而通常低于，并留有一定的裕量。当门极断路且结温为额定值时，允许重复施加在晶闸管上的反向峰值电压称为反向重复峰值电压，为反向不重复峰值电压的90%。当晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过；当反向超过后，外电路若无限制措施，则反向将急剧增大，会使晶闸管因温度过高而损坏。【教师】提问：结合所学知识，请思考并回答如何避免晶闸管被烧坏？【学生】聆听、思考、举手回答【拓展】晶闸管在的情况下开通的方式称为“硬开通”。多次“硬开通”会导致晶闸管永久性损坏，因此晶闸管一般采用门极触发方式，即在晶闸管的门极输入足够大的，使晶闸管开通。越大，越小。【教师】重点强调如下问题2）动态特性如图1-12所示为晶闸管的动态特性曲线，其中为反向恢复峰值电流。图1-12晶闸管的动态特性曲线（1）开通特性。由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路限制，因此晶闸管被触发后，阳极电流的上升需要一定的时间。从阶跃时刻上升到稳态值的10%所需要的时间为门极控制开通延迟时间，从稳态值的10%增大到90%的这段时间为门极控制开通上升时间。除了与晶闸管本身的特性有关，还与外电路的电感有关。晶闸管由断态转为通态的时间为门极控制开通时间，即。（2）关断特性。在晶闸管的关断过程中，由于外电路电感的存在，原处于通态的晶闸管当其阳极电压突然由正向变为反向时，的衰减也需要一个过渡时间，这段时间为门极控制关断下降时间。当衰减至接近于零时，在一段时间内对晶闸管施加正向，则晶闸管会重新正向开通，而不受门极是否有触发电流的控制，这段时间为正向阻断恢复时间。与之和为门极控制关断时间，即。大约为几百微秒，远远大于。在实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复对正向电压的阻断能力，从而确保晶闸管工作的可靠性。【教师】组织学生分组讨论问题：电力二极管与晶闸管的优缺点分别是什么？应如何选用？【学生】聆听、思考、讨论【教师】随机邀请学生回答，并鼓励回答较好的学生。【拓展】影响晶闸管动态特性的主要参数还有通态电流临界上升率和断态电压临界上升率等。通态电流临界上升率是指晶闸管能承受而不会导致晶闸管损坏的最大通态电流上升率。如果晶闸管的过大，则晶闸管刚一开通就会有很大的电流集中在门极，从而使晶闸管因局部过热而损坏。断态电压临界上升率是指当门极断路且晶闸管的结温为额定值时，不导致晶闸管从断态到通态转换的最大电压上升率。如果晶闸管的过大，则会导致晶闸管误开通。晶闸管在使用中实际电压的上升率必须低于此临界值。3．晶闸管的选用1）额定电流的确定晶闸管的额定电流是以通态平均电流为依据来确定的。是指晶闸管在环境温度为40℃的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许通过的最大工频正弦半波电流的平均值。是按照晶闸管自身由正向电流所造成的通态损耗热效应来定义的，而晶闸管的发热又与电流的有效值有关。因此，根据有效值相等则发热量相同的原理，将非正弦半波电流的有效值折合成等效的正弦半波电流平均值，则有（1-1）晶闸管由于过载能力比一般电器小，因此在选用时，晶闸管的额定电流一般为其工作时所承受的1.5～2倍，即（1-2）【拓展】1.57是晶闸管的波形系数，即通过晶闸管的电流的有效值与平均值之比。2）额定电压的确定晶闸管的额定电压通常取晶闸管的和中的较小值，并按标准电压等级取整数。而在实际应用中，考虑到晶闸管会受到环境温度、散热条件及过电压等因素的影响，其一般为工作时所承受最大电压的2～3倍，即，以保证晶闸管的使用安全。【教师】师生互动：电力二极管选型，应考虑哪些问题？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】举例说明，学以致用【例1-1】一个晶闸管接在220V的交流电路中，通过晶闸管的电流有效值为100A，取安全裕量为最大电压和最大电流的2倍，试选择晶闸管的额定电流和额定电压。【解】晶闸管的额定电流为按照晶闸管参数系列取100A。晶闸管的额定电压为按照晶闸管参数系列取800V，即8级【学生】聆听、记录、理解三、其他半控型电力电子器件【教师】通过ppt讲解其他半控型电力电子器件的特点1．快速晶闸管快速晶闸管是指对开关时间等有特别要求（通常为几十微秒），可在400Hz以上频率工作的反向阻断晶闸管。快速晶闸管主要用于感应加热设备中的中频电源装置。为了能在较高的工作频率下安全可靠地工作，它对普通晶闸管的管芯结构和制造工艺等进行了改进，使得快速晶闸管的和的耐量都有了明显的改善。由于工作频率较高，快速晶闸管的通态损耗明显大于同规格的普通晶闸管。2．双向晶闸管双向晶闸管是由NPNPN五层半导体材料构成的电力电子器件，它是把两个反并联的晶闸管集成在同一硅片上，通过一个门极来控制开通和关断的组合型器件，其电气图形符号如图1-13（a）所示。其中，、为主电极，G为门极。双向晶闸管工作时，无论在、间接入何种极性的电压，只要在门极G注入触发电流（正、负均可），都可使双向晶闸管开通。因此，双向晶闸管在第Ⅰ象限和第Ⅲ象限的伏安特性曲线对称，如图1-13（b）所示。（a）电气图形符号（b）伏安特性曲线图1-13双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性曲线【拓展】双向晶闸管通常用在交流电路中，其额定电流用有效值来表示。【教师】师生互动：双向晶闸管有什么优点？【学生】聆听、思考、举手回答3．逆导晶闸管逆导晶闸管是将一个晶闸管和一个反向并联的二极管集成在同一硅片上而构成的组合型器件。它可看作是一种在反方向也能通过和正方向同样大电流的开关器件。逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性曲线如图1-14所示，其正向伏安特性曲线和普通晶闸管的正向伏安特性曲线相同，反向伏安特性曲线与二极管的反向伏安特性曲线相同，因此逆导晶闸管能承受较大的正向电压，但不能承受反向电压，一旦承受反向电压就会开通。（a）电气图形符号（b）伏安特性曲线图1-14逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性曲线逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短、抗漏电流能力强和额定结温高等优点，常用于不需要阻断反向电压的电路中。4．光控晶闸管光控晶闸管又称光触发晶闸管，它以光信号作为触发信号来控制开通，其伏安特性曲线与普通晶闸管的相同。光控晶闸管可避免电路主回路对控制电路的电磁干扰，因此适用于对信号源与电路主回路之间绝缘要求较高的大功率高压装置，如高压直流输电装置、高压【学生】观看微课（详见教材），根据微课提出问题【教师】回答学生的问题，通过实物和ppt讲解电力二极管【学生】聆听、记录、理解通过教师的讲解和课堂互动，使学生了解电力二极管基础知识带领学生扫码观看变压器的应用，进一步掌握变压器的工作原理及其组成通过ppt讲解，了解电力二极管的静态和动态特性。重难点是电力二极管的伏安特性、开通和关断特性实操练习（20min）实操题目：测试晶闸管的动态特性1.知识准备【教师】要求学生查阅资料，重点回答以下问题：什么是晶闸管的动态特性？测试晶闸管的动态特性前需要做哪些准备工作？需要哪些工具器材？【学生】查阅资料、记录、回答晶闸管的电气图形符号和内部结构如图1-2所示。其中，门极G和阴极K之间有一个PN结，它具有单向导电性，即正向电阻小、反向电阻大；而阳极A和阴极K之间、阳极A和门极G之间的正、反向电阻都很大。据此，可通过测量各引脚之间的电阻来判断晶闸管各引脚的极性。测试晶闸管的动态特性主要是测试晶闸管的开通特性和关断特性。晶闸管的动态特性测试电路如图1-3所示。其中，和为直流稳压电源，VT为晶闸管，为电位器，EL为白炽灯。测试时，晶闸管阳极A和阴极K之间的电压称为阳极电压，用表示；门极G和阴极K之间的电压称为门极电压，用表示；通过阳极A的电流称为阳极电流，用表示；通过门极G的电流称为门极电流，用表示。（a）电气图形符号（b）内部结构图1-2晶闸管的电气图形符号和内部结构图1-3晶闸管的动态特性测试电路2．工具和器材准备3.任务实施【教师】讲解和演示基本操作步骤1）判断晶闸管各引脚的极性将指针式万用表置于电阻挡，用红、黑两表笔分别测量晶闸管任意两引脚之间的正、反向电阻，直至指针式万用表的读数为几十欧姆。此时，黑表笔所接引脚为门极G，红表笔所接引脚为阴极K，另一引脚为阳极A。2）测试晶闸管的开通特性按图1-3连接电路，断开、，然后按以下步骤进行测试。（1）闭合，为晶闸管施加12V的正向，观察白炽灯的状态。（2）断开，然后闭合、，为晶闸管施加12V的正向和5V的正向，观察白炽灯的状态。（3）断开、，反转的极性，然后闭合、，为晶闸管施加12V的正向和5V的反向，观察白炽灯的状态。（4）断开、，反转的极性，然后闭合，为晶闸管施加12V的反向，观察白炽灯的状态。（5）断开，然后闭合、，为晶闸管施加12V的反向和5V的反向，观察白炽灯的状态。（6）断开、，反转的极性，然后闭合、，为晶闸管施加12V的反向和5V的正向，观察白炽灯的状态。按上述步骤完成测试后，将测试结果记录在表中，详情见教材。3）测试晶闸管的关断特性按图1-3所示连接电路，闭合、，为晶闸管施加12V的正向和5V的正向使白炽灯亮起，然后按以下步骤进行测试。（1）断开，观察白炽灯的状态。（2）反转的极性，然后闭合，观察白炽灯的状态。（3）断开，调节使逐渐减小，观察白炽灯的状态，并用指针式万用表测量白炽灯状态发生变化时的值。按上述步骤完成测试后，将测试结果记录在表中，详情见教材。【学生】聆听、理解、模仿操作【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题课堂小结

（6min）【教师】简要总结本节课的要点本节课学习了电力二极管和晶闸管的工作原理和主要特性、电力二极管和晶闸管的选用方法、其他半控型电力电子器件并测试晶闸管的动态特性。希望大家在课下多加练习，巩固所学知识。【学生】总结回顾知识点总结知识点，巩固学生对电力二极管相关知识的印象作业布置

（2min）【教师】布置课后作业请根据课堂知识，完成项目测评中的填空题1-2、判断题1-5和解答题题1，并撰写实验报告。预习任务二，观看任务二的微课并记录问题。【学生】完成课后任务通过课后作业复习巩固学到的知识教学反思本次课是学生的第一节电力二极管，通过第一节课的介绍，学生对这门课程有了基础的印象，了解了该课程的教学内容，以及本课程的定位和作用。提高了学生对本课程的学习兴趣。此外，还对电力二极管的特性进行了介绍，并动手实操测试晶闸管的动态特性，取得了不错的教学效果。

课题认识全控型电力电子器件课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）熟悉门极可关断晶闸管、电力晶体管和电力场效应晶体管的工作原理、主要特性和选用方法。（2）掌握绝缘栅双极晶体管的工作原理和主要特性。（3）熟悉绝缘栅双极晶体管的选用方法。（4）能测试绝缘栅双极晶体管的特性。思政育人目标：树立科技报国、科技强国的理想信念教学重难点教学重点：门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管的工作原理、主要特性和选用方法教学难点：绝缘栅双极晶体管的工作原理、主要特性和选用方法，测试绝缘栅双极晶体管的特性教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材、绝缘栅双极晶体管教学设计→→课前复习（3min）→→传授新知（35min）→实操练习（35min）→疑难解答（5min）→课堂小结（3min）→作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图课前任务【教师】布置课前任务，提醒同学通过或其他学习软件，完成课前任务请大家复习电力二极管和晶闸管的工作原理，查找资料，预习本课学习内容，记录预习中存在的疑难问题，学生负责人汇总后反馈教师。【学生】完成课前任务通过课前任务，使学生自行查漏补缺，增加学生对疑难问题的好奇心考勤

（2min）【教师】通过让学生签到【学生】签到，班干部交假条培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况课前复习（3min）【教师】引领学生回忆上次课教学内容，根据学生反映，查看学生掌握情况。回顾电力二极管和晶闸管的工作原理和主要特性、电力二极管和晶闸管的选用方法，提问学生测试晶闸管的动态特性的步骤及注意事项。【学生】互动、积极回答通过课前复习，检查学生对所学知识的掌握程度，调整课程进度，让学生自行查漏补缺问题导入（5min）【教师】通过图片讲解对于以晶闸管及其派生器件为代表的半控型电力电子器件，通常采用由外部变换电路施加反向阳极电压的方式来强制关断。由于外部变换电路较为复杂且性能不高，因此半控型电力电子器件难以满足高性能交流变频等场合的需要。在此背景下，全控型电力电子器件应运而生。全控型电力电子器件的种类很多，目前应用较为广泛的是绝缘栅双极晶体管（insulatedgatebipolartransistor,

IGBT）。常见的IGBT都有3个引脚，分别是阳极A、集电极C和发射极E。请选择合适的工具和器材，判断IGBT各引脚的极性，测试IGBT的特性。【教师】提出以下问题：全控型电力电子器件与晶闸管有什么特点？如何选用？【学生】讨论、举手回答【教师】通过学生的回答引入要讲的知识通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的积极性，主动讨论传授新知

（35min）一、门极可关断晶闸管晶闸管开通后，门极就失去了控制作用，要使其关断只能切断电源或给晶闸管施加反向电压，而这需要在电路中增设电子器件，从而使电路变得复杂。门极可关断晶闸管（gateturn-offthyristor,

GTO）既可通过向门极施加正向触发脉冲控制开通，又可通过向门极施加反向触发脉冲控制关断，是理想的高压、大电流全控型器件。【教师】提问：门极可关断晶闸管与晶闸管有什么区别？各有什么作用？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】通过PPT图片讲解GTO的工作原理1．GTO的工作原理如图1-18所示为GTO的电气图形符号和内部结构。GTO与普通晶闸管相同，都是PNPN型四层三端器件，其外部都具有门极G、阳极A和阴极K，但GTO的内部则包含数十个甚至数百个共阳极的GTO元。这些GTO元的阴极K和门极G在器件内部并联在一起，且每个GTO元阴极K和门极G的距离很短，可有效减小它们之间的横向电阻，因此GTO可从门极G分出电流而关断。（a）电气图形符号（b）GTO元断面图（c）GTO元的阴极和门极排列图图1-18GTO的电气图形符号和内部结构2．GTO的主要特性GTO的静态特性与普通晶闸管基本相同，但其动态特性与普通晶闸管有些区别。如图1-19所示为GTO的动态特性曲线，GTO在开通之后需要经过延迟时间和上升时间；在关断时需要经过存储时间、下降时间和尾部时间，以退出饱和状态，完成关断。图1-19GTO的动态特性曲线【教师】提问：GTO与晶闸管的动态曲线有哪些异同？应如何选用GTO？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】结合学生回答，讲解新知3．GTO的选用选用GTO时，GTO的很多参数与相应的晶闸管参数意义相同，下面主要介绍一些意义不同的参数。1）最大可关断阳极电流GTO的最大可关断阳极电流是用来衡量GTO额定电流的参数，这与普通晶闸管用通态平均电流作为额定电流不同。当通过GTO的电流大于时，会使GTO的开通饱和程度过深，此时即使在门极施加反向触发脉冲也无法使其关断。2）电流关断增益电流关断增益是指与门极脉冲电流的最大值之比，它用来表征GTO的门极可关断能力，即（1-3）一般大容量GTO的很小，通常为3～5，这是GTO的一个缺点。例如，在为1000A的GTO中，需要达到200A，这便失去了晶闸管所具有的“小电流控制大电流”的优点，导致GTO开关速度降低。【拓展】GTO是一种较理想的直流开关器件，具有自关断能力及通断迅速等优点，不需要复杂的换流回路，且工作频率高，主要用于斩波调速、变频调速、电力逆变。但是，在相同的工作条件下与普通晶闸管相比，GTO的较大，关断脉冲对功率和反向门极电流的上升率要求较高。因此，很多GTO都制成逆导型，在承受反向电压时与电力二极管串联使用。二、电力晶体管电力晶体管（gianttransistor,

GTR）是一种能承受大功率的双极结型晶体管（bipolarjunctiontransistor,

BJT），GTR与BJT这两个名称在电力电子技术的范围内是等效的。GTR可分为PNP型和NPN型两种。【教师】通过PPT图片讲解GTR的工作原理1．GTR的工作原理GTR的电气图形符号和内部结构如图1-20所示。GTR由三层半导体材料所形成的两个PN结构成，顶部区为发射区，其作用是向基区注入载流子；P区为基区，其作用是控制和传送载流子；底部区为集电区，其作用是收集载流子；集电区上部设置了漂移区（区），以提高GTR承受大电压的能力，这与电力二极管中区的作用一样。此外，GTR开通时也是依靠从基区向漂移区注入大量少子所形成的电导调制效应来减小通态电压和损耗的。（a）电气图形符号（b）内部结构图1-20GTR的电气图形符号和内部结构在GTR的内部，不同类型区域的交界处形成了PN结。其中，发射区与基区交界处的PN结称为发射结，集电区与基区交界处的PN结称为集电结。要使GTR的发射区向基区注入载流子，就必须在发射结上施加正向偏置电压；而要保证注入基区的载流子能够经过基区并传输到集电区，就必须在集电结上施加反向偏置电压。在实际应用中，GTR一般采用共发射极接法，此时GTR内部载流子的流动路径如图1-21所示。其中，集电极电流与基极电流之比为GTR的电流放大系数，用表示，则，发射极电流。图1-21GTR内部载流子的流动路径【拓展】GTR的电流放大系数反映了对的控制能力。GTR的产品说明书中通常给出的是直流电流增益，是GTR工作在直流情况时与之比，一般可认为。【教师】提问：GTR通常采用哪种接线方式？为什么？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】点评并总结结学生回答2．GTR的主要特性1）静态特性如图1-22所示为GTR采用共发射极接法的输出特性曲线，从中可明显地分出截止区、放大区和饱和区3个区域。其中，截止区对应GTR的关断状态，此时GTR承受高电压而仅有极小的漏电流通过；GTR处于放大区时，和呈线性关系；饱和区对应GTR的开通状态，此时不再随的变化而变化。GTR在电力电子电路中通常工作在开关状态，即截止区或饱和区，而在开关过程中需要经过放大区，以实现截止区和饱和区之间的过渡。【教师】提问：结合GTR的静态特性曲线，GTR有哪些工作状态？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】点评并总结结学生回答2）动态特性如图1-23所示为GTR开关过程中和的波形。与GTO类似，GTR在开通之后需要经过延迟时间和上升时间，两者之和为开通时间；在关断时需要经历存储时间和下降时间，两者之和为关断时间。图1-22GTR采用共发射极接法的输出特性曲线图1-23在GTR开关过程中和的波形【教师】分组讨论：结合GTR的静态特性和动态特性，请分组讨论选用GTR时应注意哪些事项？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】点评并总结结学生回答，结合学生回答讲解新知3．GTR的选用在选用GTR时，除了和，还要考虑GTR的最高工作电压、集电极最大允许电流、集电极最大耗散功率和最高允许结温等参数。1）最高工作电压GTR的最高工作电压主要包括最高集电极电压和最高发射极电压两类。（1）最高集电极电压。最高集电极电压是指集电极的击穿电压，它不仅与GTR本身有关，而且与GTR的外接电路有关，它主要分为以下几种。①发射极开路时，集电极与基极之间的反向击穿电压。②基极开路时，集电极与发射极之间的反向击穿电压。③发射极与基极之间直接连接时，集电极与发射极之间的反向击穿电压。④发射极与基极之间接电阻时，集电极与发射极之间的反向击穿电压。上述最高集电极电压之间的关系为。当GTR的集电极电压增大至时，迅速增大，首先发生的击穿是雪崩击穿，称为一次击穿。此时，只要不超过对应的限定值，GTR一般不会损坏。但如果没有得到有效限制，GTR将会因PN结局部损坏而出现二次击穿，从而使GTR永久性损坏或使其工作性能明显衰变。（2）最高发射极电压。最高发射极电压是指集电极开路时，发射极与基极之间的反向击穿电压。由于GTR发射区的掺杂浓度很高，具有很高的注入效率，因此通常只有几伏。2）集电极最大允许电流使用GTR时，由于会随着的增大而减小，因此通常为当减小到规定值的1/3～1/2时所对应的。3）集电极最大耗散功率和最高允许结温集电极最大耗散功率是指在最高工作温度下所允许的耗散功率。GTR的产品说明书中通常将这两个参数同时给出。【拓展】为了使GTR安全工作，必须使GTR的小于，集电极电压小于，集电极的耗散功率小于。厂家通常将这3个参数与GTR的二次击穿曲线一同绘制在双对数直角坐标系中，以安全工作区的形式提供给用户。此外，GTR在使用时还应使发射极与基极之间的反向电压小于。三、电力场效应晶体管【教师】PPT讲解电力场效应晶体管电力场效应晶体管（powerMOSFET）是指利用电场效应来控制开关状态的晶体管，它是一种由内部多子导电的单极型电力电子器件。与用于信息处理的场效应晶体管相同，电力场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型两种，但由于结型电力场效应晶体管的应用非常少，因此电力场效应晶体管通常指的是绝缘栅型电力场效应晶体管。根据内部导电沟道的不同，绝缘栅型电力场效应晶体管可分为N沟道型和P沟道型两种，其中最常用的是N沟道型绝缘栅型电力场效应晶体管。如无特别说明，本书所述电力场效应晶体管均指N沟道型绝缘栅型电力场效应晶体管。1．电力场效应晶体管的工作原理【教师】分组讨论：根据电力场效应晶体管的内部结构，请分析并总结其工作过程？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】点评并总结结学生回答，结合学生回答讲解新知如图1-24所示为电力场效应晶体管的电气图形符号和内部结构。其中，两个区分别为电力场效应晶体管的源区和漏区，并从中分别引出源极S和漏极D；区为漂移区，用于提高电力场效应晶体管承受大电压的能力；P区夹在源区和漂移区之间，并与栅极G之间隔着一层二氧化硅；栅极与源区、漏区及P区均绝缘，而漏极D和源极S之间相当于有两个背靠背的PN结。（a）电气图形符号（b）内部结构图1-24电力场效应晶体管的电气图形符号和内部结构电力场效应晶体管利用栅极G与源极S之间的电压（简称栅级-源级电压，用表示）来控制漏极D与源极S之间的电流（称为漏极电流，用表示），从而控制电力场效应晶体管的开通和关断。当为零时，无论在漏极D和源极S之间施加正电压或负电压，两个背靠背的PN结总有一个反偏，电力场效应晶体管都将处于断态。当大于零时，虽然夹在栅极G与源区之间的二氧化硅不导电，栅极G无电流通过，但会将P区游离的电子吸引到二氧化硅的下表面，从而在P区内形成N型电荷层，从而出现反型层导电沟道。当达到一定值时，两个背靠背的PN结消失，P区的反型层导电沟道使上下两个区（漏区和源区）形成同型接触，漏极D和源极S之间开通。此时的称为开启电压（或阈值电压），用表示。超过越多，栅极G与源极S之间的导电性越好，越大。【拓展】是电力场效应晶体管的额定电流参数。当电力场效应晶体管工作在脉冲电压的场合时，通常采用额定峰值电流作为额定电流参数。2．电力场效应晶体管的主要特性1）静态特性电力场效应晶体管的静态特性主要包括输出特性和转移特性。（1）输出特性。电力场效应晶体管的输出特性也称漏极伏安特性，它以为参量，反映了与漏极-源极电压之间的关系。电力场效应晶体管的输出特性曲线如图1-25所示，从中可明显地分出可调电阻区、饱和区和雪崩区三个区域。其中，在可调电阻区，当一定时，与几乎呈线性关系，进入饱和区后，随的变化减缓，然后趋于稳定；当过大时，电力场效应晶体管将出现击穿现象，从而进入雪崩区。电力场效应晶体管作为开关器件使用的过程中，开通时必须工作在可调电阻区，否则通态压降太大，功耗也大。电力场效应晶体管由可调电阻区进入饱和区时，栅极G与源极S之间的直流电阻称为通态电阻，用表示，它是影响电力场效应晶体管最大输出功率的重要参数，在采用电力场效应晶体管作为开关器件的电路中决定了输出电压的幅值和功率损耗的大小。【教师】提问：对电力场效应晶体管有什么影响？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】点评并总结结学生回答（2）转移特性。电力场效应晶体管的转移特性是指在一定的下，和之间的关系，其曲线如图1-26所示。当较大时，与的关系曲线近似呈线性，曲线的斜率则为电力场效应晶体管的跨导，即，单位为西门子（S）；曲线开始上升时对应的即开启电压。图1-25输出特性曲线图1-26转移特性曲线【拓展】反映了电力场效应晶体管的电流放大能力，它类似GTR中的电流放大系数。2）动态特性电力场效应晶体管的动态特性主要是指其开关特性。如图1-27所示为电力场效应晶体管的开关特性。如图1-27（a）所示为电力场效应晶体管开关特性的测试电路。其中，为矩形脉冲电压信号源，为信号源内阻，为栅极电阻，为漏极负载电阻，用于检测漏极电流。【教师】师生互动：电力场效应晶体管有哪些动态特性？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】点评并总结结学生回答当向测试电路输入脉冲电压时，电力场效应晶体管的开关特性曲线如图1-27（b）所示。其中，开通时间由开通延时时间、漏极电流上升时间和漏极-源极电压下降时间组成，即，与、栅极-源极电容和栅极-漏极电容有关；关断时间由关断延时时间、漏极电压上升时间和漏极电流下降时间组成，即，与、漏极-源极电容有关。（a）测试电路（b）特性曲线图1-27电力场效应晶体管的开关特性【拓展】电力场效应晶体管的开关速度与其极间电容有很大关系。一般情况下，厂家提供的电容参数有输入电容、输出电容和反馈电容，它们与极间电容的关系为，，。3．电力场效应晶体管的选用电力场效应晶体管是利用电场效应来控制电流的，因此具有开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿、安全工作区宽等特点，在各类中、小功率的电力电子装置中得到了广泛应用。选用电力场效应晶体管时，在其开通过程中及处于通态时，必须保持大于，使电力场效应晶体管工作在正偏安全工作区内；在其关断的过程中，为了提高关断的速度和可靠性，通常需要将反偏，此时必须使电力场效应晶体管工作在反偏安全工作区内。此外，值得注意的是随着结温的升高，实际允许的和均会减小。例如，型号为IRF330的电力场效应晶体管，当为25℃时，实际允许的为5.5A；当为100℃时，实际允许的为3.3A。【教师】提问：如何选用电力场效应晶体管？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】点评并总结结学生回答四、绝缘栅双极晶体管IGBT是以GTR为主导元件，以电力场效应晶体管为驱动元件构成的复合型半导体器件，它综合了两种电力电子器件的优点，同时具有高输入阻抗和低开通电压两方面的优点。【教师】通过PPT讲解IGBT的工作原理1．IGBT的工作原理如图1-28所示为IGBT的理想等效电路，其中为基区扩散电阻。当给IGBT施加正向，且大于开启电压时，电力场效应晶体管内形成导电沟道，为晶体管提供基极电流，此时IGBT开通。当给IGBT施加反向或为零时，电力场效应晶体管内的导电沟道消失，晶体管的基极电流被切断，此时IGBT关断。因此，IGBT是电压控制型开关器件。图1-28IGBT的理想等效电路【拓展】当IGBT在开通时，基区扩散电阻会因电导调制效应而减小，通态电压也会减小。2．IGBT的主要特性1）静态特性IGBT的静态特性主要包括伏安特性和转移特性。（1）伏安特性。IGBT的伏安特性是指以为参量时，与之间的关系，其曲线如图1-29（a）所示。从图中可以看出，IGBT的伏安特性曲线分为饱和区、有源区、正向阻断区和反向阻断区。在有源区内，越高，越大。（2）转移特性。IGBT的转移特性是指与之间的关系，其曲线如图1-29（b）所示。从图中可以看出，当小于开启电压时，IGBT处于断态；而在IGBT开通后，与成近似线性关系。（a）伏安特性曲线（b）转移特性曲线图1-29IGBT的静态特性曲线【教师】组织学生分组讨论：IGBT与电力场效应管有什么不同？各有什么特点？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】点评并总结结学生回答2）动态特性IGBT的动态特性主要是指其开关特性。由于IGBT在实现开通的过程中大部分时间是作为电力场效应晶体管来工作的，因此其动态特性与电力场效应晶体管的相似。如图1-30所示为IGBT的动态特性曲线。IGBT的动态特性主要表现在集电极电流、栅极-发射极电压和集电极-发射极电压的波形变化上。其中，表示PNP型晶体管由放大区进入饱和区所用的时间，称为开通延迟时间，表示开通上升时间，二者之和即为IGBT的开通时间，即。在IGBT关断过程中，表示关断延迟时间，表示电流关断时间，二者之和即为IGBT的关断时间，即。图1-30IGBT的动态特性曲线此外，又可分为和两部分。其中，表示IGBT内部电力场效应晶体管关断的时间，该阶段电流减小得较快；而表示IGBT内部PNP型晶体管关断的时间，由于该晶体管上存储的电荷无法迅速释放，因此该阶段电流减小得较慢。【教师】师生互动：请试着分析下降过程，IGBT的特性？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】点评并总结结学生回答相应地，的下降过程也可分为和两部分。其中，表示IGBT内部电力场效应晶体管电压降低的时间，表示IGBT内部PNP型晶体管电压降低的时间。【拓展】PNP型晶体管虽然为IGBT带来了电导调制效应的好处，但由于它存在少子的储存现象，因此IGBT的开关速度低于电力场效应晶体管的开关速度。3）IGBT的擎住效应在实际应用中，IGBT并不是以理想等效电路工作的，而是以图1-31所示的IGBT实际等效电路工作的。图1-31IGBT实际等效电路由图1-31可知，IGBT的内部还存在一个NPN型晶体管，其基极和发射极之间有一个体区扩展电阻，的横向空穴电流会在上产生电压降，相当于在的基极上施加正向电压。在IGBT的额定集电极电流范围内，这个正向电压很小，并不能使开通，但当增大到一定程度后，该正向电压将使开通，从而使两个晶体管工作在饱和状态，相当于一个开通的晶闸管。此时，IGBT的栅极G就会失去对的控制，使IGBT产生自锁现象，这就是擎住效应的一种，称为静态擎住效应。IGBT的另一种擎住效应是动态擎住效应，是指IGBT在高速关断过程中产生的自锁现象，由于此时IGBT的电流或电压下降过快而产生较大的位移电流，这个电流在流经时，产生了足以使开通的正向电压，从而使IGBT产生自锁现象。【教师】师生互动：IGBT产生自锁会有什么后果？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】点评并总结结学生回答自锁现象一旦发生，栅极将失去对IGBT实际等效电路的控制，IGBT将无法关断，最终会使IGBT因电流过大而损坏。因此在实际应用中，应采取适当措施避免IGBT自锁现象的产生。3．IGBT的选用在实际应用中，一般所说的IGBT并不是指IGBT单管，而是指IGBT模块。它是由多个IGBT芯片和二极管芯片以绝缘方式组装到金属基板上，并通过特定的电路封装而成。相较于IGBT单管，IGBT模块主要具有以下优点。【教师】讲解IGBT选用的原则（1）将多个IGBT芯片并联，可使IGBT模块的额定电流更大。（2）将多个IGBT芯片按照特定的电路形式组合，如半桥、全桥等，可以使外部电路变得简单，便于连接。（3）多个IGBT芯片处于同一个金属基板上，相当于在独立的散热器与IGBT芯片之间增加了一块均热板，使IGBT模块的工作更可靠。（4）多个IGBT芯片之间连接与多个分立形式的单管进行外部连接相比，电路布局更好，引线电感更小。（5）IGBT模块更适合高电压和大电流的场合。在选用IGBT时，必须保证其工作在安全工作区。由于IGBT在电力电子电路中通常工作在开关状态，因此其安全工作区分为正偏安全工作区和反偏安全工作区两部分。其中，正偏安全工作区由集电极峰值电流、集电极-发射极峰值电压和集电极-发射极峰值功耗确定，反偏安全工作区由、和最大允许集电极电压上升率确定。此外，IGBT的是根据避免出现动态擎住效应而确定的，并据此确定了基极-发射极峰值电压，而IGBT的最大是由IGBT内部PNP型晶体管所能承受的击穿电压确定的。【学生】聆听、记录、理解通过教师的讲解和课堂互动，使学生了解GTO的工作过程结合动态特性曲线图讲解GTO的特点，进一步加深基本知识的理解回顾问题引入，使学生对支路、节点、回路、网孔的理解更加深刻讲解GTR的含义及其工作原理结合GTR的内部结构，分析其工作过程，帮助学生理解突出说明GTR应用时的接线方式强调GTR特点，学生重点理解、记录突出说明△联结的特点，学生重点理解、记录学生分组讨论，积极参与互动学生可分组展开讨论，最后由学生推荐上台，引领大家一起分析通过学生自行分析回答，再由教师点评总结，加深学生对知识的理解与认识通过学生分组讨论电力场效应晶体管特点，教师可指导，最后指定小组人员带领大家一起分析，分析完后教师补充或纠正，培养学生举一反三的思维能力重点强调电力场效应晶体管不同条件下的特点应注意的问题通过PPT图片，讲解电力场效应晶体管的主要特性通过师生互动，详细讲解电力场效应晶体管的特性实操练习（35min）【教师】讲解和演示基本操作步骤实操题目：测试绝缘栅双极晶体管的特性1.知识准备【教师】要求学生查阅资料，重点回答以下问题：什么是三相变压器？变压器绕组有几种方式？【学生】查阅资料、记录、回答IGBT是一种复合型半导体器件，它因综合了电力晶体管和电力场效应晶体管的优点而具有良好的特性，广泛应用于各种中、大功率电力电子设备中。IGBT可分为N沟道型和P沟道型两种，如无特别说明，本书所述IGBT均指N沟道型IGBT。如图1-16所示为IGBT的电气图形符号和内部结构。IGBT比电力场效应晶体管多一层区，从而形成一个大面积的PN结，这使发射极E与集电极C之间相当于两个双极晶体管，即一个PNP和一个NPN，因此将PNP的基区称为N基区，将NPN的基区称为P基区。IGBT开通时，由注入区向缓冲区注入的空穴可对N基区进行电导调制，因此IGBT具有很强的电流流通能力。（a）电气图形符号（b）内部结构图1-16IGBT的电气图形符号和内部结构IGBT的栅极G与集电极C、发射极E之间均不开通，正、反向电阻均非常大。当IGBT没有在栅极G和发射极E之间施加电压时，集电极C和发射极E之间的正向电阻非常大，但反向电阻较小。据此，可通过测量IGBT各引脚之间的电阻来判断各引脚的极性。如图1-17所示为IGBT的特性测试电路。其中，白炽灯EL与IGBT的集电极C和电源E的正极相连，而IGBT的发射极E与电源E的负极相连。调节电位器，缓慢改变IGBT栅极-发射级电压的大小，可通过观察白炽灯EL的明灭情况来判断IGBT的通断状态。图1-17IGBT的特性测试电路2.工具和器件准备3.任务实施【教师】讲解和演示基本操作步骤1）判断IGBT各引脚的极性将指针式万用表置于挡，分别测量IGBT各引脚之间的正、反向电阻。在阻值最小的那次测量中，黑表笔所接的引脚为发射极E，红表笔所接的引脚为集电极C，另一引脚为栅极G。2）测试IGBT的静态特性连接电路，然后通过调节来改变IGBT的栅极-发射极电压，并按照以下步骤进行测试。（1）调节，用电流表测量栅极电流在不同下的值，将其记录在表1-8中，并分析与之间的关系。（2）调节，用电流表分别测量集电极电流和发射极电流在不同下的值，将其记录在表1-9中，并分析与和之间的关系。3）测试IGBT的动态特性调节，观察白炽灯在不同下的明灭情况，用电压表测量在不同下的值，将其记录在表1-10中，并分析与之间的关系。（详情见教材）【学生】聆听、理解、模仿操作【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题重点强调实操练习过程中存在的问题，学生认真聆听学生严格按照操作步骤完成验证操作教师随堂指导，学生以小组形式操作，对存在的问题及时咨询教师课堂小结

（3min）【教师】简要总结本节课的要点本节课学习了门极可关断晶闸管、电力晶体管和电力场效应晶体管的工作原理、主要特性和选用方法，绝缘栅双极晶体管的工作原理和主要特性，绝缘栅双极晶体管的选用方法，并实操测试绝缘栅双极晶体管的特性。大家在课下认真复习，巩固所学，勤加练习，夯实基础。【学生】总结回顾知识点总结知识点，巩固学生对晶体管、晶闸管相关知识的印象作业布置

（2min）【教师】布置课后作业请根据课堂知识，完成项目测评中的填空题3-20、判断题6-10和解答题2-3，并撰写实验报告。预习项目二，观看项目二的微课并记录问题。【学生】完成课后任务通过课后作业复习巩固学到的知识教学反思本次课是电机与电气控制技术课程的基础，通过对门极可关断晶闸管、电力晶体管和电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管的分析，使学生对晶体管和晶闸管相关知识有了新的理解，将理论与实操结合，进一步提升了学生的学习兴趣，增强了学生对知识的掌握程度。此外，通过对学生的实操练习锻炼了学生的动手操作电路、动脑分析问题的能力。本次教学取得了良好的教学效果。但由于部分同学基础不太好，测试时比较吃力，今后在讲授理论知识时要更注重深入浅出。

课题测试单相可控整流电路课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）了解整流电路的组成、分类及参数。（2）掌握单相半波可控整流电路的结构、工作原理和基本参数。（3）掌握单相桥式全控整流电路的结构、工作原理和基本参数。（4）能测试单相半波可控整流电路。思政育人目标：（1）增强节能环保的绿色意识。（2）养成节约用电的良好习惯教学重难点教学重点：单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路结构、工作原理和基本参数教学难点：单相半波可控整流电路、单相桥式全控整流电路结构、工作原理和基本参数教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材、万用表教学设计→→课前复习（3min）→→传授新知（35min）→实操练习（35min）→课堂小结（6min）→作业布置（4min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过或其他学习软件，完成课前任务请大家了解整流电路应用，查找资料，讨论本课程在专业中的作用。【学生】完成课前任务通过课前任务，使学生了解所学课程的重要性，增加学生的学习兴趣考勤

（2min）【教师】通过让学生签到【学生】签到，班干部交假条培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况课前复习（3min）【教师】引领学生回忆上次课教学内容，根据学生反映，查看学生掌握情况。回顾晶闸管、电力晶体管和电力场效应晶体管的工作原理、静态特性和动态特性，提问学生测试晶体管动态特性的步骤及注意事项。【学生】互动、积极回答通过课前复习，检查学生对所学知识的掌握程度，调整课程进度，让学生自行查漏补缺问题导入（5min）【教师】通过视频或图片讲解单相半波可控整流电路是最基础的可控整流电路，其他可控整流电路都是在其基础上发展形成的。如图2-1所示为带电阻负载的单相半波可控整流电路，它采用晶闸管VT作为整流器件，可通过控制VT门极触发脉冲输入的时刻来调节负载R两端的电压。该整流电路工作原理简单，成本较低，常用在整流精度要求不高的小功率电器中。【教师】提出以下问题：如何连接并测试带电阻负载的单相半波可控整流电路，分析其基本参数并绘制其工作波形？【学生】讨论、举手回答【教师】通过学生的回答引入要讲的知识通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知

（35min）一、整流电路概述【教师】通过视频讲解整流电路的组成在工业生产和日常生活中，电能主要以交流电的形式进行传输。除了用交流电给直流用电设备供电的场合，直流变直流（DC/DC）的场合和直流变交流（DC/AC）的场合，也需要先对交流电进行整流，因此整流电路的应用十分广泛。如图2-5所示为整流电路在日常生活中的应用实例，包括电源适配器、手机充电器、直流稳压电源等。（a）电源适配器（b）手机充电器（c）直流稳压电源图2-5整流电路在日常生活中的应用实例1．整流电路的组成整流电路通常由整流变压器、整流主电路和滤波器等组成。其中，整流变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配，以及交流电网与整流电路之间的电气隔离；整流主电路主要由电力二极管或晶闸管等组成，用于将交流电变换为脉动直流电；滤波器接在整流主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电中的交流成分。【教师】提问：整流电路有哪些结构组成？各有什么作用？【学生】聆听、思考、讨论、举手回答【教师】总结点评学生回答，鼓励回答较好的同学2．整流电路的分类整流电路可按控制特性、电路结构、交流电源的相数等进行分类。1）按控制特性分类根据控制特性的不同，整流电路可分为不可控整流电路和可控整流电路两种。不可控整流电路采用电力二极管作为整流器件，电路输出的直流电压与输入的交流电压（有效值）之比是固定不变的。可控整流电路采用晶闸管作为主要整流器件，电路输出直流电压的大小可以通过控制晶闸管门极触发脉冲输入的时刻来调节。【拓展】采用电力二极管的整流电路故障率比较高，主要原因是电力二极管容易因过流而出现开路或击穿故障。电力二极管的故障常通过测量其正、反向电阻来检测。2）按电路结构分类根据电路结构的不同，整流电路可分为零式整流电路和桥式整流电路两种。零式整流电路通常在内部串联一个晶闸管，通过控制晶闸管开通的时间来控制电流在半个周期内通过负载的时间；而