单元十三 电力电子技术基础（教案）
章节
名称
13.1电力电子器件
学时
安排
2
教学
目标
了解掌握晶闸管（SCR）、功率二极管、门极可关断（GTO）晶闸管各电力电子元件特性及其工作原理。
重点
难点
晶闸管（SCR）、功率二极管、门极可关断（GTO）的工作原理。
参考
资料
1．《电子技术》，吕国泰主编，北京：高等教育出版社，第2版 2001年
2.《电力电子技术》浣喜明、姚为正 高等教育出版社，第3版2001年
考 核
与评价
1．考核与评定要坚持结果评价和过程评价相结合，定量评价和定性评价相结合，教师评价和学生自评、互评相结合，使考核与评价有利于激发学生的学习热情，促进学生的发展。
2．考核与评定要根据本课程的特点，改革单一考核方式，不仅关注学生对知识的理解、技能的掌握和能力的提高，还要重视规范操作、安全文明生产等职业素质的形成，以及节约能源、节省原材料与爱护工具设备、保护环境等意识与观念的树立。
备 注
注：表格内黑体字格式为（黑体，小四号，1.25倍行距，居中）
13.1电力电子器件
【教学过程】
组织教学：
1．检查出勤情况。
2．检查学生教材，习题册是否符合要求。
3．宣布上课。
引入新课：
1．电源是任何电子设备都不可缺少的组成部分, 许多电器设备的内部电路都要采用直流电源作为供电能源，利用二极管的单向导电性，将交流电变换成单向脉动直流电的电路，称为整流电路。
2．通过实物演示及列举实例，让学生了解桥式整流电路的原理及应用，从而激发他们的学习兴趣。
讲授新课：
13.1电力电子器件
1.定义：
电力电子器件：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
2.电力电子器件特征：
（1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。
（2）电力电子器件一般都工作在开关状态。
（3）使用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。
（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。
3.电力电子器件可分为如下三种类型：
（1）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。
（2）全控型器件--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
（3）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。
13.1.1
晶体闸流管简称晶闸管，也称为可控硅整流元件(SCR)，是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件。在性能上，晶闸管不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性，它只有导通和关断两种状态。
1.晶闸管结构：
晶闸管从结构上分为螺旋式和平板式。它们具有三个电极，分别为阳极A、阴极K和控制极G。容量大的晶闸管一般采用平板式，容量小的晶闸管与大功率二极管外形相似，只是比二极管多了一个控制极。晶闸管是PNPN四层三端器件，共有三个PN结。分析原理时，可以把它看作是由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如图13-1-2(a)所示，图13-1-2
a） 螺栓型 b）平板型 c）符号
图13-1-1 晶闸管管芯及电路符号表示
2.晶闸管的工作原理：
当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流Ib2流过，经BG2放大，其集电极电流Ic2=β2Ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以Ib1=Ic2，于是BG1的发射极电流Ie1=(1+β1)Ib1?β1β2Ib2。这个电流又流回到BG2的基极，形成正反馈，使Ib2不断增大，结果两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。这个导通在极短时间内完成的，一般不超过几微妙，称为触发导通过程。
由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以单向可控硅是不可通过改变控制极G的电压关断的。
晶闸管导通时，A与K 极间的正向压降一般约为0.6V~1.2V，当应该注意的是，如果因外电路负载电阻值的增加而使晶闸管的阳极电流IA降到某一数值时，就不能再维持正反馈过程，晶闸管不导通，呈正向阻断状态。如果导通的晶闸管A与K极间外加正向电压降至零（或切断电源），则阳极电流IA降至零，晶闸管自行阻断。
如果晶闸管加上反向电压，阳极为负，阴极为正，则此时J1 、J3结均承受反向电压，无论控制极是否加上正向触发电压，晶闸管均不导通，呈反向阻断状态。
结论：晶闸管导通条件：阳极与阴极之间加上一定大小的正向电压，控制极是加上合适正向触发电压，只要同时满足这两个条件，晶闸管才能导通，否则处于阻断状态。
3．伏安特性
晶闸管的阳极电压U与阳极电流IA之间的关系曲线称为晶闸管的伏安特性曲线，如图13-1-3所示。
UFRM
UFRMUBO uA
IH IG2 > IG1 > IG=0
o a
d c
图13-1-3 晶闸管的伏安特性曲线
ΔU
UBR URRM
b
iA
IF
+ -
- +
在无触发信号时，如果在阳极和阴极之间加上额定的正向电压，则在晶闸管内只有很小的正向漏电流通过，它对应特性曲线的oa段，以后逐渐增大阳极电压到b点，此时晶闸管会从阻断状态突然转向导通状态。b点所对应的阳极电压称为无触发信号时的正向转折电压（或称“硬开通”电压），用UBO表示。晶闸管导通后，阳极电流IA的大小就由电路中的阳极电压UA和负载电阻来决定。
晶闸管导通后，减小阳极电流IA，并使IA< IH，晶闸管会突然从导通状态转向阻断状态。在正常导通时，阳极电流必须大于维持电流IH。
当晶闸管的控制极上加上适当大小的触发电压UG（触发电流IG）时，晶闸管的正向转折电压会大大降低，如图13-1-3中IG1、IG2所示。触发信号电流越大，晶闸管导通的正向转折电压就降的越低。
晶闸管的反向特性与二极管十分相似,加反向电压时，管中只有很小的反向漏电流通过，如图中OC段所示，这说明管子处在反向阻断状态。
4．主要参数
为了正确地选择和使用晶闸管，还必须了解它的电压、电流等主要参数的意义。晶闸管的主要参数有以下几项：
（1）额定正向平均电流IF
在规定的散热条件和环境温度及全导通的条件下，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值，称为正向平均电流IF，
（2）维持电流IH
在规定的环境温度和控制极断开情况下，维持晶闸管导通状态的最小电流称维持电流IH。
（3）正向重复峰值电压UFRM
在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，称为正向重复峰值电压。按规定此电压为正向转折电压UBO的80%。
（4）反向重复峰值电压URRM
在额定结温和控制极断开时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。按规定此电压为反向转折电压UBR的80%。
（5）浪涌电流IFSM
在规定时间内，晶闸管中允许通过的最大正向过载电流，此电流应不致使晶闸管的结温过高而损坏。在元件的寿命期内，浪涌的次数有一定的限制。
5．型号命名
普通型晶闸管型号可表示如下
KP[电流等级]—[电压等级/100][通态平均电压组别]
其中其中K代表闸流特性，P为普通型。如KP500A-1500V型号的晶闸管表示其通态平均电流（额定电流）IT（AV）为500A，正反向重复峰值电压（额定电压）UR为1500V
13.1.2
1.功率二极管结构：
功率二极管的内部结构是一个具有Ｐ型及Ｎ型两层半导体、一个PN结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图13-1-4（a）所示。
从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。这是由于二极管工作时管芯中要通过强大的电流，而PN结又有一定的正向电阻，管芯要因损耗而发热。为了管芯的冷却，必须配备散热器。一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式图13-1-4（b），200A以上则采用平板式图13-1-4（c
（a） 符号 （b） 螺旋式 （c） 平板式
图13-1-4 大功率二极管
2．功率二极管的开通、关断特性
功率二极管具有延迟导通和延迟关断的特征，关断时会出现瞬时反向电流和瞬时反向过电压。
（1）功率二极管的开通过程
大功率二极管的开通需一定的过程，初期出现较高的瞬态压降，过一段时间后才达到稳定，且导通压降很小。图13-1-6为功率二极管开通过程中的管压降uD和正向电流iD的变化曲线。由图可见，在正向恢复时间tfr内，正在开通的功率二极管上承受的峰值电压
图13-1-6 大功率二极管的开通过程 图13-1-7 大功率二极管的关断过程
（2）功率二极管的关断过程
图13-7为功率二极管关断过程电压、电流波形。
功率二极管应用在低频整流电路时可不考虑其动态过程，但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中就要考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程。
3．功率二极管的主要参数
（1）额定正向平均电流（额定电流）IF
指在规定＋40℃的环境温度和标准散热条件下，元件结温达额定且稳定时，容许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。
（2）反向重复峰值电压（额定电压）ＵRRM
在额定结温条件下，元件反向伏安特性曲线（第Ⅲ象限）急剧拐弯处于所对应的反向峰值电压称为反向不重复峰值电压URSM。
（3）反向漏电流IRR
对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流称为反向重复平均电流IRR。
（4）正向平均电压UF
在规定的＋40℃环境温度和标准的散热条件下，元件通以工频正弦半波额定正向平均电流时，元件阳、阴极间电压的平均值，有时亦称为管压降。
13.1.3门极可关断（GTO）晶闸管
门极可断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor, GTO)是一种具有自断能力的晶闸管。处于断态时，如果有阳极正向电压，在其门极加上正向触发脉冲电流后， GTO可由断态转入通态，已处于通态时，门极加上足够大的反向脉冲电流， GTO由通态转入断态。由于不需用外部电路强迫阳极电流为零而使之关断，仅由门极加脉冲电流去关断它；所以在直流电源供电的DC—DC，DC—AC变换电路中应用时不必设置强迫关断电路。这就简化了电力变换主电路，提高了工作的可靠性，减少了关断损耗，与SCR相比还可以提高电力电子变换的最高工作频率。因此， GTO是一种比较理想的大功率开关器件。
1．结构
GTO的内部结构与普通晶闸管相同，都是一种PNPN四层三端结构的半导体器件，外部引出阳极A、门极G和阴极K。与SCR不同，GTO是一种多元胞的功率集成器件，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，使器件的功率可以达到相当大的数值。图13-1-8(a) (b)所示分别是各单元的阴极、门极间隔排列的图形和并联结构断面示意图。图13-1-8(c)是它的电气图形符号。
图13-1-
2．可关断晶闸管的工作原理
GTO的导通机理与SCR完全一样的。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，而不像普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样就可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断，因此在关断机理上与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），强烈的正反馈使器件退出饱和而关断。
3．GTO的主要参数
（1）开通时间：延迟时间与上升时间之和,延迟时间一般约1～2ms，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大；
（2）关断时间：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2ms；
不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联；
（3）最大可关断阳极电流IATO : GTO的额定电流；
（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
值一般很小只有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。
【教学方法】
课堂教学采用板书和多媒体教学手段相结合的方法，其多媒体使用率在 60％以上。并辅助之以课堂讨论、习题分析以及实验教学。用于基本概念、理论、方法及应用的课堂讲授约占总学时的70％的时间。习题课、实验操作约占总学时的30％的时间。本课程安排的实验课，以便学生掌握基本实验技能。
1．在开始阅读某一章教材之前，先阅读大纲中有关这一章的考核知识点及考核目标，对知识点能力层次即：识记、理解、应用的要求，做到有的放矢。
2．阅读教材，要逐段细读，逐句推敲，集中精力，吃透每个知识点。对基本概念——深刻理解，对基本原理——彻底弄清，对基本方法——牢固掌握。
3．在学习过程中，要边思考问题，边做好阅读笔记，把教材中的基本概念、原理、方法等加以整理，从中加深对问题的认识、理解和记忆，以利于突出重点，并涵盖全面，不断提高自学能力。
4．做每一章的练习题，能及时理解、消化和巩固所学知识，培养分析问题、解决问题的能力。
【教学总结】
1．这一节概念新，理论抽象，应采用模型或挂图配合讲解，有经验的教师一般不用挂图，边讲边画。
2．讲半导体的一般概念，要注意“少而精”的原则，紧扣教材，不要轻易扩展内容，着重讲透电力电子器件的应用，适时地引出电力电子元器件在设备中的应用。
3．这一节是教学重点，首先要简述电力电子器件的概念，指出了解电力电子器件的应用、掌握电力电子器件在设备中的应用，从而引起学生的重视。
4．掌握电力电子器件工作原理是本节的中心目的，讲授方法通常有两种：一种是分析电力电子器件基本结构以及工作原理。一种是先做演示实验，从实验直接获得电力电子器件工作特性的感性认识，再分析电力电子器件为什么可以可控整流原理，从感性认识提高到理性认识。教师可根据学生的实际情况用之。
【教学时间分配】
一、组织教学（2分钟）
二、复习旧课（6分钟）
三、导入新课（2分钟）
四、讲授课题（70分钟）
五、课题总结（6分钟）
六、课后作业（4分钟）
（讲解）
（提问：电力电子器件分类，请举列出）
（讲解）
观看PPT：晶闸管的结构及工作原理)
（提问：晶闸管的工作原理是什么）
(观看PPT：功率二极管的组成及工作原理)
(观看PPT：功率二极管的开关特性)
(观看PPT：门极可关断晶闸管的组成及工作原理)
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