68411-电力电子技术 教学大纲

《电力电子技术》课程教学大纲课程名称：电力电子技术课程性质：必修学分/学时：3学分/48学时适用专业：电气工程及其自动化、自动化等电类专业先修课程：高等数学、大学物理、电路、模拟电子技术、数字电路技术等后续课程：开关电源技术、功率变换器计算机仿真与设计、电力电子装置及控制、电力拖动自动控制系统、电气工程综合设计、本科生毕业设计等一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要內容；指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平。明确本课程知识与能力重点符合标准哪几条毕业要求指标点。）课程性质：电力电子技术是电气工程及其自动化专业、自动化专业的一门重要专业基础课，是电气工程及其自动化专业的必修主干课程。教学目标：电力电子技术是应用功率半导体器件对电能进行变换的科学技术，以实现高效率和高品质的电能应用。通过本课程的学习，使学生掌握电力电子技术的基础知识和基本分析方法，具备一定的电力电子工程设计能力，培养电力电子理论与实际工程问题相结合的基本素质和能力，为开关电源技术等后续专业课程打下理论和技术基础，也为学生从事相关专业技术、科学研究及管理工作提供重要的理论基础。本课程主要内容有：相控整流电路的工作原理分析和设计，高频功率半导体器件及其驱动电路，基本DC/DC变换电路的工作原理分析和设计，DC/AC变换电路的工作原理分析，软开关变换电路原理分析，基本PWM控制电路工作原理，缓冲电路的工作原理和参数设计，磁性元件的分析和设计等。通过本课程教学，不仅使学生掌握利用功率半导体器件进行电能变换的基础理论和相应工程知识，同时培养学生应用数学、电路等知识分析电力电子技术基本原理和解决相关工程问题的能力，掌握电力电子变换系统核心部件的设计能力，具备一定的电力电子系统方案的工程设计能力，了解电力电子技术设计所需的仿真分析工具，了解电力电子技术有关的工程与社会关系的相关知识。具体来说：培养学生掌握功率半导体器件的基本结构、特点及驱动方法，能够结合工程应用进行合理选用；培养学生掌握各种类型电力电子系统的基本组成和工作原理，能够结合具体工程问题和应用对象进行方案选择。具备对工程中的相控整流电路、DC/DC变换器、DC/AC变换器的外特性、电感电流脉动、输出电压纹波等问题进行建模和分析的能力，能够完成功率器件、变压器、电感电容、驱动电路、缓冲电路、控制电路等核心部件的参数设计。二、课程教学内容及学时分配（含课堂教学、自学、作业、讨论等的内容及要求）（重点内容：★）1、绪论(1学时)1.1电力电子技术的定义1.2电力电子技术的发展历史1.3电力电子技术的应用目标及要求：1)通过绪论的介绍，使得学生掌握电力电子技术的概念、学习内容、学习目的、基础和主要特点★；2)了解电力电子技术的发展历史，明确功率半导体器件是电力电子技术的基础★，引导学生主动关注功率半导体器件的分类和特点；3)了解电力电子技术的工程应用背景，激发学生的学习兴趣；4)大致认识整个课程的脉络体系，了解课程的学习方法、学习资源的获取途径，为后续教学作铺垫。讨论内容:引入线性电源和开关电源的概念，讨论差异，突出电力电子技术的优点。自学拓展：1)回顾所学过的功率半导体器件类型、特性、测试方法；2)了解开关稳压电源和线性稳压电源的概念、特点、应用。2、相控整流电路(14学时)【1.5，2.1】2.1晶闸管2.2单相桥式相控整流电路★2.3三相半波相控整流电路★2.4三相桥式相控整流电路★2.5带平衡电抗器的双反星型可控整流电路★2.6变压器漏抗对相控整流电路的影响2.7整流电路的有源逆变工作状态目标及要求：1)掌握晶闸管的主要参数和应用要点，重点掌握晶闸管正确工作的条件★、电流参数的定量计算★，难点是维持电流和擎住电流的比较、应用中的注意要点；2)掌握单相桥式全控和半控整流电路的工作原理、特性和波形分析、参数计算；3)掌握三相半波、三相桥式全控整流电路以及带平衡电抗器的双反星型可控整流电路的工作原理、特性和波形分析、参数计算；4)掌握电源变压器漏抗对可控整流电路的影响；5)掌握三相半波相控电路工作在有源逆变状态的原理、特性和波形分析；6)掌握电源变压器漏抗对有源逆变电路的影响，逆变失败的现象、原因和对策。作业内容：1)强化晶闸管的工作条件和电流参数的定量计算；2)强化分析不同负载、续流二极管对晶闸管开关条件的分析，训练波形绘制的能力；3)强化半控电路中晶闸管和二极管开关条件的不同；4)强化器件定额的选取应考虑全部工作范围的最大应力，并进行相关训练；5)强化负载电流断续状态下晶闸管电压应力的分析方法。讨论内容:在纯电阻和大电感负载条件下，相同整流电路中晶闸管最大电流应力的不同。自学拓展：相控整流电路的系统结构、控制与驱动，准备相关电力电子实验。3、高频功率半导体器件(7学时)【1.5，2.1】3.1功率半导体器件分类3.2功率二极管★3.3双极型功率晶体管3.4功率场效应晶体管★3.5绝缘栅双极型晶体管目标及要求：1)掌握高频功率二极管的分类、主要特性和参数★；掌握负温度系数的概念，掌握反向恢复时间的概念，了解二极管的开关特性；2)掌握常用全控器件（BJT、MOSFET、IGBT）的符号、特性、等效电路、主要参数和选用依据★。讨论内容:1)负温度系数或者正温度系数器件是否适合并联；2)MOSFET的密勒效应。4、非隔离型直流变换器(6学时)【1.5，2.1】4.1Buck变换器★4.2Boost变换器★4.3Buck−Boost变换器4.4Cuk变换器目标及要求：1)重点介绍Buck变换器、Boost变换器的电路拓扑、工作原理、特性和参数设计★；掌握应用电路稳态条件推导输入输出关系的通用方法★；2)简要介绍Buck−Boost和Cuk等拓扑的工作原理。作业内容：1)强化输入输出电压关系、电感电容设计和功率器件选择，训练典型波形的绘制能力；2)强化利用电感电流脉动或伏秒积平衡等方法推导变换器输入输出关系。讨论内容：1)负载变化对变换器外特性的影响；2)电流连续和电流断续模式下变换器特性的比较。5、隔离型直流变换器(8学时)5.1正激变换器★5.2反激变换器★5.3推挽变换器5.4Cuk变换器5.5全桥变换器目标及要求：1)重点介绍正激和反激变换器的电路拓扑、工作原理、特性和参数设计★；2)简要介绍推挽、半桥和全桥等变换器的工作原理。作业内容：强化输入输出电压关系、电感电容设计和功率器件选择，训练典型波形的绘制能力。讨论内容：不同隔离型直流变换器中变压器的工作状态和特点。6、DC/AC逆变器(3学时)6.1电压型逆变器工作原理★6.2电压型逆变器的脉宽调制技术目标及要求：1)重点掌握电压型单相逆变器的工作原理★；2)掌握正弦脉宽调制的原理与实现方法。讨论内容：DC/AC逆变器与相控整流电路的有源逆变状态之间的区别。7、开关管的缓冲电路(2学时)7.1开关管的开通和关断特性7.2直流变换器的基本缓冲电路★7.3直流变换器的无损缓冲电路目标及要求：1)开通和关断缓冲的基本原理★、基本缓冲电路（RCD和RLD）的分析★；2)简要介绍无损缓冲的意义、原理和典型电路。8、软开关直流变换器(2学时)8.1软开关变换器的分类8.2准谐振变换器目标及要求：1)简要介绍软开关技术；2)掌握基本准谐振变换器的工作原理。自学拓展：自学移相控制零电压开关全桥变换器和LLC谐振变换器。9、控制电路(1学时)9.1电力电子变换器系统构成9.2集成PWM控制器基本组成和工作原理目标及要求：掌握DC/DC变换器闭环系统的组成和PWM控制原理。自学拓展：自学SG3525PWM控制芯片的主要功能和性能，准备相关实验。10、驱动电路(2学时)10.1MOSFET驱动电路的要求★10.2共地驱动电路10.3浮地驱动电路10.4隔离型驱动电路★10.5IGBT驱动电路目标及要求：1)介绍MOSFET驱动电路的基本要求；2)场控器件的驱动技术及典型电路。11、电力电子变换器中的磁性元件(2学时)11.1磁芯的磁特性和基本的磁物理量11.2常用磁性元件11.3磁芯的工作状态★11.4常用磁性材料的性能及选用目标及要求：1)掌握磁芯材料B-H曲线的关键参数以及气隙对于磁芯材料基本特性的影响；2)结合实际变换器掌握磁芯的不同工作状态；3)掌握磁芯的关键特性参数；能够在不同场合合理选用磁芯材料。作业要求：结合具体应用电路、选择合适的磁芯材料，了解不同应用场合对磁芯B-H曲线、储能等的需求。三、教学方法在教学方式上，以现有课堂讲授、电力电子技术精品课程（在线教学）平台和电力电子技术实验室为基础，不断地丰富教学内容，积极采用启发和研讨式教学方法，进一步提升课堂的生动性，提高学生的学习主动性和应用积极性。利用理论教学并结合电力电子实验课程，强调电力电子技术的工程实践性特点，真正提高学生应用相关工程知识、分析解决工程问题的能力，达到培养学生能力、提高教学质量的目标。现有教学内容组织以器件发展为纲，分为晶闸管部分和基于高频器件的功率变换电路两大部分，充分体现了功率半导体器件是电力电子技术的基础。开关器件的特点和应用对于缺乏应用经验的学生而言，内容抽象、知识点的系统性不够好。本课程教学中，将难点分散，逐步深化，结合应用，深入浅出。教学内容的组织，符合学生的认知规律，更容易达成教学效果。在课堂教学中，针对难点与重点内容，可采用循序渐进，并将基础知识和实际工程应用相结合，使得抽象问题具体化，让学生掌握电力电子技术基础知识的同时，强化对学生理论与实际结合能力、工程问题分析能力的培养。在具体问题分析过程中，强调数学、电路等基础知识的应用，培养学生应用基础知识对工程问题进行建模、分析、求解。此外，本课程的教学内容将不断更新，充分结合电力电子技术的最新进展，引入一些最新研究成果，拓宽学生的视野，从理论知识、分析能力、应用能力和解决问题的能力方面不断丰富教学内容。课堂教学流程设计框图四、考核及成绩评定方式课程考核方式：笔试+平时测验及作业；成绩评定方式：期末考试70%，平时测试+作业：30%。五、教材及参考书目教材：阮新波主编.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2021年。参考书目：Eric