第4章 电力电子技术基础

第一章概述可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。

电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。

通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。

具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

电能变换的形式共有四种：交流-直流变换、直流-直流变换、直流-交流变换、交流-交流变换。

电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。

变流技术则是电力电子技术的核心。

美国学者W. Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。

一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。

把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。

电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。

随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。

与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。

第二章电力电子器件2.1：电力电子器件概述1、电力电子器件（Power Electronic Device）是指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。

电力电子器件一般工作在开关状态2、电力电子器件的功率损耗：通态损耗、断态损耗、开关损耗（开通损耗、关断损耗）通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。

当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。

3、电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。

4、电力电子器件的分类（1）按照能够被控制电路信号所控制的程度：半控型器件、全控型器件、不可控器件。

半控型器件是指用控制信号可以控制其导通，但不能控制其关断的电力电子器件。

第 1 次课 3 学时授课时间06.2.22 教案完成时间06.2.15 第一章电力电子器件 1.1 1.2 1.3 (包括绪论)课题（章节）教学目的与要求：通过该部分内容学习,使学生明白什么是电力电子技术? 电力电子技术的应用领域是什么? 电力电子技术与自动化专业、电子信息工程专业之间的的关系是什么？通过前三节的学习，学生应了解电力二极管、晶闸管等电力电子器件的基本结构、工作原理、主要参数、应用场合等。

教学重点、难点：器件的动态过程的波形的理解、器件的灵活应用是本次教学的重点和难点。

教学方法及师生互动设计：启发式，帮助学生回忆已学过的“电子技术基础”的相关知识，进而更好地理解“电力电子技术”知识，使学生建立知识的联想链。

课堂练习、作业：1、电力电子器件与信息电子器件的区别表现在哪些方面？2、试述在变频空调器中，哪些属于自动化技术，哪些属于电力电子技术？本次课堂教学内容小结介绍了电力电子技术背景知识、发展趋势。

介绍了电力二极管、晶闸管工作原理、基本特性和主要参数。

本次课堂教学达到预期目的，不少学生通过听讲表现出对电力电子技术课程的兴趣，课堂提问效果较好。

学好该课程需要较好的电子技术、电路方面的基础知识。

第 1 页第 2 次课 3 学时授课时间06.3.1 教案完成时间06.2.23 第一章电力电子器件 1.4 1.5 1.6课题（章节）教学目的与要求：通过该部分内容学习,使学生理解典型的全控型电力电子器件的工作原理、主要参数工程应用情况。

充分了解电力电子器件的驱动方式。

对其它新型器件也有所了解。

教学重点、难点：重点介绍晶闸管、IGBT、电力MOSFET三种应用最为广泛的器件的工作原理及其主要参数和工程应用。

教学方法及师生互动设计：以实际生活中见到的的实例，启发学生对于晶闸管、IGBT、电力MOSFET等器件的应用的理解。

如：调光台灯、风扇无极调速、电磁炉等。

课堂练习、作业：1、P42. 1.22、说出所知道的电力电子器件的名称及其应用场合、工作原理。

第一章电力电子器件重点和难点：一、电力二极管特性静态特性主要是指其伏安特性，而动态特性是由于结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置者三种状态之间转换的时候，必然要要经历一个过渡过程，在这些过渡过程中，PN结的一些区域是需要一定的时间来调整其带电的状态，因而其电压－电流特性不能用通常所说的伏安特性来描述，而是随时间变化的；电力二极管的正向平均电流是指其长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下其允许流过的最大公频正旋半波电流的平均值；电力二极管的正向压降是指在指定的温度下，流过某一指定的稳定正向电流时对应的正向压降。

二、晶闸管的工作原理参见教材P16，当对晶闸管施以正向电压且门极有电流注入则导通，当对其施以反相电压时晶闸管截止，而把正向电压改为反向电压或使的流过晶闸管的电流降低到接近与零的某一个数值时晶闸管关断。

三、MOSFET、IGBT的工作原理1、电力MOSFET的工作原理（1）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。

（2）导电：在栅源极间加正电压U GS,当U GS大于U T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、IGBT的结构和工作原理（1）三端器件：栅极G、集电极C和发射极E（2）驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压u GE 决定。

导通：u GE大于开启电压U＝GE(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。

四、电力二极管工作原理电力二极管工作原理与信息电子电路中的二极管的工作原理时一样的，都是以半导体PN结为基础的，电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。

电力电子技术课程教学大纲（POWERE1ECTRONIC）总学时数：40其中:实验学时数：0课外学时数：0学分数：2.5适用专业：电气工程与自动化专业一、课程的性质、目的和任务本课程是自动化专业的基础课程，它的任务是使学生掌握各类电力电子器件的工作原理，特性和主要参数及其各类变流装置发生的电磁过程，基本原理，控制方法，设计计算，实验技能以及它们的技术经济指标。

以便学生毕业后具有进一步掌握各种变流装置的能力，并为后续课“电力拖动与运动控制系统”打好基础。

二、课程教学的基本要求（一）掌握电力电子器件（主要为晶闸管，电力晶体管，可关断晶闸管、电力场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管）的工作原理，特性和主要参数（含驱动、缓冲和保护电路）。

（二）熟练掌握单相，三相整流电路和有源逆变电路的基本原理，波形分析和各种负载对电路运行的影响，并能对上述电路进行初步的设计计算（包括触发电路与保护环节）。

（三）3.了解无源逆变、直流斩波、交流调压和交-交变频电路的工作原理，了解并掌握PWM控制技术及PW型逆变电路的基本原理和控制方法。

（四）初步了解软开关技术的基本概念和常用的组合变流电路的主要形式。

（五）初步了解电力电子学科的发展趋势。

（六）掌握基本变流装置的调试实验方法。

三、课程的教学内容、重点和难点绪论基本内容：电力电子技术的基本概念和内涵，电力电子技术发展历程，电力电子技术应用领域，本课程在国民经济中的作用意义，本课程的特点和学习方法。

基本要求：使学生了解电力电子技术的基本概念和内涵，了解本课程的重要性，认识到他所学的内容仅是电力电子学科中的最基本的内容,而本学科还有很多重要的课题有待去学习，去解决。

第一章电力电子器件一、电力电子器件概述基本内容：电力电子器件的概念和特征；电力电子系统的构成；电力电子器件的分类。

基本要求：1、了解电力电子器件的基本概念、主要特征以及主要类型；2、了解应用电力电子器件构成的系统的主要组成部分及各部分功能。