电力电子技术教案.doc

第 1、2 课时
课题:
电力电子技术绪论
教学目的和要求:
掌握电力电子技术等概念,了解电力电子技术的发展史以及电力电子技术的应用.
重点与难点：
掌握电力电子技术等相关概念
教学方法:
图片展示,应用介绍,结论分析.
预复习任务:
复习前期学过的《电工技术基础》等课程的相关知识。
1 什么是电力电子技术
1.1 电力电子与信息电子
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1W以下。
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。
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
输出
输入
直流
交流
交流
整流
交流电力控制、变频、变相
直流
直流斩波
逆变
1。3 与相关学科的关系
电力电子学名称60年代出现.
· 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。
2 电力电子技术的发展史
电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用,因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。
〔四个阶段〕
1、 史前期(1957年以前）：使用水银整流器(汞整流器），其性能和晶闸管类似。
2、 晶闸管时代（1958～70年代)
3、 全控型器件时代（70年代后期）
4、 复合器件时代（80年代后期)
3 电力电子技术的应用
1) 一般工业
近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美,交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等。
2) 交通运输
3) 电力系统
4) 电子装置用电源
5) 家用电器
第 3、4 课时
课题：
电力电子器件概述与电力二极管
教学目的和要求：
概述电力电子器件的概念、特点和分类。掌握电力二极管的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。
重点与难点:
掌握电力二极管的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用。
教学方法:
借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学
预复习任务:
复习前期学过的《电工技术基础》等课程的相关知识。
1 电力电子器件概述
1.1 电力电子器件的概念和特征
1）概念：
电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
2）分类:
电真空器件 （汞弧整流器、闸流管）
半导体器件 （采用的主要材料硅）
3)同处理信息的电子器件相比的一般特征：
能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。
电力电子器件一般都工作在开关状态。
电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。
电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。
电力电子器件的损耗:
通态损耗、断态损耗、开关损耗（开通损耗、判断损耗）
1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。
1。3 电力电子器件的分类
1）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其导通又可控制其关 断，又称自关断器件。
不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断， 因此也就不需要驱动电路。
2)按照驱动电路信号的性质，分为两类：
电流驱动型
——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。
电压驱动型
-—仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断.
2 不可控器件-电力二极管
2.1 PN结与电力二极管的工作原理
· 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。
· 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。
· 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。
PN结的状态
状态参数
正向导通
反向截止
反向击穿
电流
正向大
几乎为零
反向大
电压
维持1V
反向大
反向大
阻态
低阻态
高阻态
——
PN结的反向击穿(两种形式）:雪崩击穿、齐纳击穿，均可能导致热击穿
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应，称为结电容CJ，又称微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率,尤其是高速的开关状态。
2。2 电力二极管的基本特性
主要指其伏安特性
· 门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压.
· 与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 。
· 承受反向电压时,只有微小而数值恒定的反向漏电流。
2) 动态特性
——二极管的电压-电流特性随时间变化。由于结电容的存在。
1。2。3 电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF（AV)
2）正向压降UF
3）反向重复峰值电压URRM
4)反向恢复时间trr
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175°C范围之内。
6） 浪涌电流IFSM
指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。
2.4 电力二极管的主要类型
1） 普通二极管（General Purpose Diode）
2） 快恢复二极管（Fast Recovery Diode——FRD）
3。 肖特基二极管
第 5、6 课时
课题：
半控器件-晶闸管
教学目的和要求:
掌握晶闸管的工作原理、导通及关断条件特性和主要参数;了解晶闸管的外形、结构和电气符号；了解晶闸管的派生器件.
重点与难点:
教学重点：掌握晶闸管的工作原理、导通条件、特性及主要参数。教学难点：晶闸管的工作原理、导通条件、特性及主要参数。
教学方法:
借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学
预复习任务：
复习上节课学的电力二极管的相关知识，对比理解掌握本节课程。
内容导入:
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。
1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。
1958年商业化。
开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代.
20世纪80年代以来,开始被全控型器件取代.
1。晶闸管的结构与工作原理
· 外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。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.平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间.
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
1。 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。
2. 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。
3。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。
4. 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 .
· 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、光触发
· 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
2. 晶闸管的基本特性
1) 静态特性
（1)正向特性
· IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。
· 正向电压超过正向转折电压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。
· 晶闸管本身的压降很小,在1V左右.
（2）反向特性
· 反向特性类似二极管的反向特性。
· 反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过.
· 当反向电压达到反向击穿电压后,可能导致晶闸管发热损坏.
2） 动态特性
3. 晶闸管的主要参数
1）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。
2）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.
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。
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。
3）动态参数
除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：
l 断态电压临界上升率du/dt
——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。
——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。
l 通态电流临界上升率di/dt
——指在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。
—-如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
4. 晶闸管的派生器件
1）快速晶闸管
有快速晶闸管和高频晶闸管.
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,不能忽略其开关损耗的发热效应。
2)双向晶闸管
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。
3） 逆导晶闸管
将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。
具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点.
4） 光控晶闸管
又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。
光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。
因此目前在高压大功率的场合.
第 7、8 课时
课题:
典型全控型电力电子器件
教学目的和要求:
掌握门极可关断晶闸管的工作原理及特性、电力晶体管的工作原理，了解电力场控晶体管的特性与参数及安全工作区。掌握电力场控晶体管的工作原理。掌握绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点。了解静电感应晶体管静电感应晶闸管的工作原理.
重点与难点:
掌握电力晶体管、力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管的工作原理、参数特点.
教学方法:
借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学
预复习任务：
复习上节课学的半控型器件晶闸管的相关知识,对比理解掌握本节课程。
内容导入：
门极可关断晶闸管—-在晶闸管问世后不久出现。
全控型电力电子器件的典型代表—-门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体
管、绝缘栅双极晶体管.
一、门极可关断晶闸管
晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。
· GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍
有较多的应用。
1）GTO的结构和工作原理
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.
工作原理:与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。
· 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益a1和a2 .
a1+a2=1是器件临界导通的条件。
GTO的关断过程与普通晶闸管不同。关断时，给门极加负脉冲，产生门极电流-IG，此电流使得V1管的集电极电流ICl被分流，V2管的基极电流IB2减小，从而使IC2和IK减小，IC2的减小进一步引起IA和IC1减小,又进一步使V2的基极电流减小，形成内部强烈的正反馈，最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下,GTO由通态转入断态。
结论：
Ø GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅.
Ø GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
Ø 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：与普通晶闸管相同
关断过程：与普通晶闸管有所不同
3) GTO的主要参数
（1)开通时间ton
（2） 关断时间toff
(3）最大可关断阳极电流IATO
（4）电流关断增益boff
——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。
boff一般很小，只有5左右,这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A .
二、 电力晶体管
1）GTR的结构和工作原理
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。
通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
· 在应用中，GTR一般采用共发射极接法。
· 集电极电流ic与基极电流ib之比为 b ——GTR的电流放大系数，反映了基极电流
对集电极电流的控制能力 .
· 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
· 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。
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
3）GTR的主要参数
1)电流放大倍数β集电极电流与基极电流之比
2）集电极最大允许电流ICM
通常规定为β下降到规定值的1/2～1/3时所对应的Ic .
3）集电极最大耗散功率PCM
在最高集电结温度下允许的耗散功率,等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积.
4) 反向击穿电压
• 集电极与基极之间的反向击穿电压
• 集电极与发射极之间的反向击穿电压
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.
5） 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。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突然急剧上升,电压陡然下降。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：最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。
三、电力场效应晶体管
  特点——用栅极电压来控制漏极电流。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR.
电流容量小，耐压低，只适用于小功率的电力电子装置。
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.
l 电力MOSFET的工作原理
Ø 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。
Ø 导电：在栅源极间加正电压UGS
——当UGS大于UT时,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，漏极和源极导电 。
2）电力MOSFET的基本特性
(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。
（2）  动态特性
MOSFET的开关速度：
MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度.不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10～100ns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。
3) 电力MOSFET的主要参数
（1）  漏极电压UDS
(2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM
(3) 栅源电压UGS
(4) 极间电容
四、绝缘栅双极晶体管
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。
1） IGBT的结构和工作原理
  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。通态压降:电导调制效应使电阻RN减小,使通态压降减小。
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
(2） IGBT的动态特性
3) IGBT的主要参数
(1）最大集射极间电压UCES
(2)最大集电极电流
（3)最大集电极功耗PCM
IGBT的特性和参数特点可以总结如下:
开关速度高,开关损耗小.相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似.
与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点.
五、其他新型电力电子器件
1 MOS控制晶闸管MCT
· 承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。
· 高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。
一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。
其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。
2 静电感应晶体管SIT
Ø 多子导电的器件,工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。
Ø 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。
· 缺点:栅极不加信号时导通，加负偏压时关断,称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。
静电感应晶闸管SITHSITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外,电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。
3 集成门极换流晶闸管IGCT
4 功率模块与功率集成电路
· 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块.将器件与逻辑、控制、保护、传感、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路.
发展现状：
· 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。
· 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。
· 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点，最近几年获得了迅速发展。
第 9、10 课时
课题:
电力电子器件驱动电路和电力电子器件器件的保护
教学目的和要求:
掌握晶闸管、全控型器件的驱动电路和电力电子器件器件的保护。
重点与难点:
掌握晶闸管的驱动电路、了解全控型器件的驱动电路和和电力电子器件器件的保护。
教学方法:
借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学
预复习任务:
复习半控型器件晶闸管与全控型器件的工作原理，预习本节课程。
问题导入:
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、可靠性和安全性都有重要的意义。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：
· 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。
· 对半控型器件只需提供开通控制信号。
· 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号.
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.
分类：
· 按照驱动信号的性质分，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。
一、晶闸管的触发电路
作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。
晶闸管触发电路应满足下列要求：
· 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。
· 触发脉冲应有足够的幅度。
· 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。
· 有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
二、典型全控型器件的驱动电路
1) 电流驱动型器件的驱动电路
(1) GTO
GTO的开通控制与普通晶闸管相似.GTO关断控制需施加负门极电流。
GTO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,可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。
直接耦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.
· 目前应用较广,但其功耗大，效率较低.
(2) GTR
开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态,使之不进入放大区和深饱和区。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.
2) 电压驱动型器件的驱动电路
电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。
为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小.使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15 ～ 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 ～ —15V)有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。
(1) 电力MOSFET的一种驱动电路：
电气隔离和晶体管放大电路两部分
（2) IGBT的驱动
多采用专用的混合集成驱动器。
三、电力电子器件器件的保护
1 过电压的产生及过电压保护
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操作过程等外因。操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起；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，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。
过电压保护措施
2 过电流保护
· 过电流-—过载和短路两种情况
· 保护措施
· 同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。
· 电子电路作为第一保护措施,快熔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。
快熔对器件的保护方式:全保护和短路保护两种。全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 。
3 缓冲电路
缓冲电路（Snubber Circuit） ：又称吸收电路，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.
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。
复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。
按能量的去向分类法：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。
第 11、12 课时
课题：
电力电子器件的串联和并联使用
教学目的和要求：
掌握电力电子器件的串联和并联原理与使用注意事项。
重点与难点：
掌握晶闸管的串联和并联原理与使用注意事项。
教学方法：
借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学
预复习任务：
复习半控型器件晶闸管与全控型器件的工作原理，预习本节课程.
问题导入：
尽管电力电子器件的电流容量和电压等级在不断提高,但仍然不能满足大容量整机应用的要求,需要串联使用以提高它们的电压等级或并联使用以提高它们的电流容量.
一、晶闸管的串并联
1. 晶闸管的串联连接
（1）静态均压
由于串联各器件的正向(或反向）阻断特性不同，但在电路中却流过相等的漏电流，因而各器件所承受的电压是不同的.给每个晶闸管并联均压电阻Rj 。如果均压电阻Rj大大小于晶闸管的漏电阻，则电压分配主要决定于Rj.但如Rj过小，则会造成Rj上损耗增大,因
此要综合考虑.
（2） 动态均压
晶闸管在开通和关断的过程中,由于各器件的开通时间和关断时间等参数不一致,而造成的动态不均压问题.
晶闸管在开关过程中瞬时电压的分配决定于各晶闸管的结电容﹑导通时间和关断时间等差别，为了使开关过程中的电压分配均匀，减小电容C对晶闸管放电造成过大的di/dt，还应在电容C支路中串联电阻R。
晶闸管串联连接时
l 应尽可能选择参数比较接近的晶闸管串联，串联的各晶闸管开通时间之差要小;
l 要求门极触发脉冲前沿要陡，触发脉冲的电流要大,使晶闸管的开通时间短，趋于一致。
l 器件串联后，必须降低电压的额定值使用，串联后选择晶闸管的额定电压为
2. 晶闸管的并联连接
1 串联电阻法
由于串联电阻增大损耗，对电力电子器件而言无实用价值。
2 串联电抗法
用一个均流电抗器(铁心上带有两个相同的线圈）接在两个并联的晶闸管电路中。电流不等时产生电动势形成环流,使电流小的支路电流增大,电流大的器件支路电流减小，达到均流目的。
l 器件并联后,必须降低电流的额定值使用，并联后选择晶闸管的额定电流为
l 晶闸管并联连接时
1 应尽可能选择参数比较接近的晶闸管进行并联;
2 触发脉冲的前沿要陡，触发脉冲的电流要大，使并联的各晶闸管开通时间之差要小。
3 在安装时使各并联支路铜线长短相同，使各支路的分布电感和导线电阻相近。布线尽可能对称,以减少磁场的影响。
在晶闸管装置需要同时采取串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法。
二、GTO的串并联
1 GTO的串联连接
n GTO串联时，采用与晶闸管相似的方法解决均压问题。
GTO的动态不均压的过电压产生于器件开通瞬间电压的后沿和关断瞬间电压的前沿，精心设计门极控制电路,采用强触发脉冲驱动，以消除动态不均压的影响。
2. GTO的并联连接
l 一个GTO内部就是由几百个小GTO单元并联工作的。也可以采用串联电阻或电抗器等均流措施。
l GTO并联要解决的是在开通和关断过程中产生的动态不均流问题。随结温的上升，开通时间将缩短，而关断时间却有延长的趋势，这就更加大了并联工作的GTO1与GTO2之间的开关时间差异,从而导致GTO的开关损耗进一步增大，温度再增高，这样继续下去，恶性循环的结果就会烧坏器件。
l 除了严格挑选并联工作的GTO通态电压相等外，精心设计门极控制电路,采用强触发脉冲驱动,力争做到并联的GTO同时开通和同时关断。
三、双极型功率晶体管的串并联
1 BJT的串联连接
由于BJT对过电压敏感，通常BJT是不进行串联运行的。
2 BJT的并联连接
大电流BJT管芯中采用了若干小电流的BJT并联，因此用并联来增大BJT电流容量是比较常用的方法。
n 当负载电流比较小时,并联的两个管子的集电极电流分配是极不均匀的，但是随着负载电流的增大,电流分配将大为改善.
n 使用同一个厂家同一型号的管子，多管并联时可以不采用负载均衡措施。
n 开关过程中，BJT的负载分配是不均匀的,必须设计一种合适的电路,使它能够在动态下自动保持并联的管子的均衡负载能力。
四、功率MOSFET的串并联
1 功率MOSFET的串联连接
一般来说，因功率MOSFET经常工作在高频开关电路中,常用的电阻与电容串并联在解决动态均压时，由于分布参数的影响，难以做到十分满意,所以除非必要，通常不将它们串联工作.
2. 功率MOSFET的并联连接
由于功率MOSFET的导通电阻是单极载流子承载的，具有正的电阻温度系数。当电流意外增大时，附加发热使导通电阻自行增大，对电流的正增量有抑制作用，所以功率MOSFET对电流有一定的自限流能力，比较适合于并联使用而不必采用并联均流措施。
五、IGBT的串并联
1.IGBT的串联连接
n 与MOSFET一样，通常IGBT不串联使用。
2. IGBT的并联连接
（1） 并联时的注意事项
应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题。
（2) 并联时的接线方法
在各模块的栅极上分别接上各模块推荐值的栅极电阻RG。栅极到各模块驱动级的配线长短及引线电感要相等，否则会引起各模块电流的分配不均匀，并会造成工作过程中开关损耗的不均匀。
控制回路的接线应使用双芯线或屏蔽线。
主电路需采用低电感接线.使接线尽量靠近各模块的引出端，使用铜排或扁条线，以尽可能降低接线的电感量。
第 13、14 课时
课题：
单相半波可控整流电路
教学目的和要求:
(1）晶闸管可控整流电路的类型及相关概念.
（2）单相半波可控整流电路带电阻性负载和电感性负载的工作原理及对应波形图.
重点与难点:
掌握单相半波可控整流电路带电阻性负载和电感性负载的工作原理及对应波形图。
教学方法:
借助PPT演示、板书等多种形式启发式教学
预复习任务：
复习半控型器件晶闸管的工作原理,预习本节课程。
完成补充的作业。
问题导入：
整流电路：能够将交流电能转换为直流电能的电路。整流电路中的主要电力电子器件是半控型的晶闸管，与其对应的主要变换电路是相控整流电路。
整流电路的分类：
Ø 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。
Ø 按电路结构可分为桥式电路和零式电路。
Ø 按交流输入相数分为单相电路和多相电路。
Ø 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。
研究整流电路，首先假设以下：(1) 开关元件是理想的，即开关元件（晶闸管)导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大；（2） 变压器是理想的,即变压器漏抗为零,绕组的电阻为零、励磁电流为零.
一、电阻性负载
1。 工作原理
在实际应用中,某些负载基本上是电阻性的,如电阻加热炉、电解和电镀等.电阻性负载的特点是电压与电流成正比，波形相同并且同相位，电流可以突变。
针对书中电路图分析：
变压器T起变换电压和隔离的作用，在电源电压正半波，晶闸管承受正向电压,在ωt=α处触发晶闸管,晶闸管开始导通；负载上的电压等于变压器输出电压u2。在ωt=π时刻,电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断,负载电流为零。
在电源电压负半波,uAK＜0，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有输出电压，直到电源电压u2的下一周期，直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。
(1) 触发角α与导通角θ
触发角α也称触发延迟角或控制角,是指晶闸管从承受正向电压开始到导通时止之间的电角度.
导通角θ，是指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。
(2) 移相与移相范围
移相是指改变触发脉冲ug出现的时刻，即改变控制角α的大小.
移相范围是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范围是0～180º。
2。 基本数量关系
（1） 直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id
（2) 输出电压有效值U与输出电流有效值I
(3) 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值
单相半波可控整流器中,负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：
(4） 功率因数cosφ
整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值
式中 P —变压器二次侧有功功率,P=UI=I2R
S—变压器二次侧视在功率，S=U2I2
(5） 晶闸管承受的最大正反向电压Um
二 带阻感负载的工作情况
1. 工作原理
电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等。
当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电势，感应电势对负载电流的变化有阻止作用,使得负载电流不能突变.当电流增大时,电感吸收能量储能，电感的感应电势阻止电流增大；当电流减小时，电感释放出能量，感应电势阻止电流的减小，输出电压、电流有相位差。
在ωt=0到α期间，晶闸管阳极和