电力电子技术教案(王兆安第5版)

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1、1 教学内容：教学内容： 绪绪 论论 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 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。 信息电子技术信息电子技术信息处理 电力电子技术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。 1.2 两大分支两大分支 电力电子器件制造技术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

2、技术）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 1.3 与相关学科的关系与相关学科的关系 电力电子学 (Power Electronics)名称60年代出现。 1974年，美国的W.Newell用倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。 1 与电子学（信息电子学）的关系与电子学（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

3、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、电解、电镀、电加热、 高性能交直流电源。 2 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

4、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。 地位和未来地位和未来 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电力电子技术的发展史 一般工业：一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业。 交通运输：交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海。 电力系统：电力

5、系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿。 电子装置电源：电子装置电源：为信息电子装置提供动力。 家用电器：家用电器： “节能灯”、变频空调。 其他：其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置。 3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 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节能技术。 4 教材的内容简介和使用说明

6、教材的内容简介和使用说明 每章的最后有小结，对全章的要点和重点进行总结。 教材正文后附有“教学实验”部分，精选了 6 个最基本的，有较高实用价值的实验 3 。 书末附有“术语索引”。 课时分配：课内教学学时为 76 学时（包含实验，每个实验 2 学时） 。 课后小结：（在下次课开始的课后小结：（在下次课开始的 10 分钟内进行）分钟内进行） 1、说明电力电子器件的分类。 2、解释 3 种换流方式和电能的 4 种变换。 3、说明变流电路的 3 种控制方式。 4、强调课程学习要求和方法。 4 教学内容：教学内容： 上次课主要内容小结；（教师上次课主要内容小结；（教师讲讲解解小小结结，参参插插课课堂

7、堂提提问问（ 10 分分钟钟左左右右） ） 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 主电路（主电路（Main Power Circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换 或控制任务的电路。 电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device）可直接用于处理电能的主电路中，实 现电能的变换或控制的电子器件。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。 两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源 中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier） 、闸流管

8、（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半 导体器件。 电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征： （1） 处理电功率的大小，即承受电压和电流 的能力，是最重要的参数。 其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件 （2） 电力电子器件一般都工作在开关状态 导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定。 授课 时间 第 2 次课，第 1 周星期 三 第 3、4 节 课 时 2 授课 方式 理论课 讨论课 习题课 实验课 上机课 技能课其他 授课

9、 题目 1.1 电力电子技术概述 1.2 不可控器件电力二极管 目的 与要求 掌握电力电子器件的概念和特征、熟悉应用电力电子器件的系统组成、 了解电力电子器件的分类，掌握电力二极管的工作特性。 重点 与难点 重点：器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意 的一些问题。 难点：基本特性及电力电子器件的两个基本要求。 方法 及手段 1、用多媒体展示功率二极管的结构、伏安特性，进行讲解分析； 2、以小结的形式对功率二极管的选择进行讲解分析； 5 阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路 决定。 电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电

10、子器件特性很重 要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替。 （3）实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就 是电力电子器件的驱动电路。 （4）为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲 究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗 阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗。 在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是

11、造成器件发热的原因之一。 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。 控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子 器件的通或断，来完成整个系统的功能 。 有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外 的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路

12、组成的。 主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电 流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电 路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通 过其它手段如光、磁等来传递信号。 由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元 器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附 控 制 电 路 检测 电路 驱动 电路 RL 主电路 V1 V2 6 加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常 必要的。 器件一般

13、有三个端子（或称极或管角） ，其中两个联结在主电路中，而第三端被称为 控制端（或控制极） 。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控 制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： （1）半控型器件半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 （2） 全控型器件全控型器件通过控制信

14、号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器 件。 绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET） 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） （3） 不可控器件不可控器件不能用控制信号来控制其通断， 因此也就不需要驱动电路。 电力二极管电力二极管（Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性

15、质，分为两类： 电流驱动型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 者关断的控制。 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类： 单极型器件单极型器件由一种载流子参与导电的器件。 双极型器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。 复合型器件复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 。 1.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些

16、问 题，然后集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。 最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法，这是在实际 中正确应用电力电子器件的两个基本要求。 由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同 7 一主电路的其它电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的要求。 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 Power Diode 结构和原理简单，工作可靠，自 20 世纪 50 年代初期就获得应用。快 恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具 有不可替代的地位。 1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理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以半导体PN结为基础。 由一个面积