68411-電力電子技術(shù) 教學(xué)大綱

《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)大綱課程名稱：電力電子技術(shù)課程性質(zhì)：必修學(xué)分/學(xué)時(shí)：3學(xué)分/48學(xué)時(shí)適用專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化等電類專業(yè)先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)等后續(xù)課程：開(kāi)關(guān)電源技術(shù)、功率變換器計(jì)算機(jī)仿真與設(shè)計(jì)、電力電子裝置及控制、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)、電氣工程綜合設(shè)計(jì)、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)等一、課程性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo)（在人才培養(yǎng)中的地位與性質(zhì)及主要內(nèi)容；指明學(xué)生需掌握知識(shí)與能力及其應(yīng)達(dá)到的水平。明確本課程知識(shí)與能力重點(diǎn)符合標(biāo)準(zhǔn)哪幾條畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)。）課程性質(zhì)：電力電子技術(shù)是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的必修主干課程。教學(xué)目標(biāo)：電力電子技術(shù)是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件對(duì)電能進(jìn)行變換的科學(xué)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)的電能應(yīng)用。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本分析方法，具備一定的電力電子工程設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)電力電子理論與實(shí)際工程問(wèn)題相結(jié)合的基本素質(zhì)和能力，為開(kāi)關(guān)電源技術(shù)等后續(xù)專業(yè)課程打下理論和技術(shù)基礎(chǔ)，也為學(xué)生從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)、科學(xué)研究及管理工作提供重要的理論基礎(chǔ)。本課程主要內(nèi)容有：相控整流電路的工作原理分析和設(shè)計(jì)，高頻功率半導(dǎo)體器件及其驅(qū)動(dòng)電路，基本DC/DC變換電路的工作原理分析和設(shè)計(jì)，DC/AC變換電路的工作原理分析，軟開(kāi)關(guān)變換電路原理分析，基本PWM控制電路工作原理，緩沖電路的工作原理和參數(shù)設(shè)計(jì)，磁性元件的分析和設(shè)計(jì)等。通過(guò)本課程教學(xué)，不僅使學(xué)生掌握利用功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行電能變換的基礎(chǔ)理論和相應(yīng)工程知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)、電路等知識(shí)分析電力電子技術(shù)基本原理和解決相關(guān)工程問(wèn)題的能力，掌握電力電子變換系統(tǒng)核心部件的設(shè)計(jì)能力，具備一定的電力電子系統(tǒng)方案的工程設(shè)計(jì)能力，了解電力電子技術(shù)設(shè)計(jì)所需的仿真分析工具，了解電力電子技術(shù)有關(guān)的工程與社會(huì)關(guān)系的相關(guān)知識(shí)。具體來(lái)說(shuō)：培養(yǎng)學(xué)生掌握功率半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及驅(qū)動(dòng)方法，能夠結(jié)合工程應(yīng)用進(jìn)行合理選用；培養(yǎng)學(xué)生掌握各種類型電力電子系統(tǒng)的基本組成和工作原理，能夠結(jié)合具體工程問(wèn)題和應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行方案選擇。具備對(duì)工程中的相控整流電路、DC/DC變換器、DC/AC變換器的外特性、電感電流脈動(dòng)、輸出電壓紋波等問(wèn)題進(jìn)行建模和分析的能力，能夠完成功率器件、變壓器、電感電容、驅(qū)動(dòng)電路、緩沖電路、控制電路等核心部件的參數(shù)設(shè)計(jì)。二、課程教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配（含課堂教學(xué)、自學(xué)、作業(yè)、討論等的內(nèi)容及要求）（重點(diǎn)內(nèi)容：★）1、緒論(1學(xué)時(shí))1.1電力電子技術(shù)的定義1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)及要求：1)通過(guò)緒論的介紹，使得學(xué)生掌握電力電子技術(shù)的概念、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)目的、基礎(chǔ)和主要特點(diǎn)★；2)了解電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史，明確功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)★，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)關(guān)注功率半導(dǎo)體器件的分類和特點(diǎn)；3)了解電力電子技術(shù)的工程應(yīng)用背景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；4)大致認(rèn)識(shí)整個(gè)課程的脈絡(luò)體系，了解課程的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)資源的獲取途徑，為后續(xù)教學(xué)作鋪墊。討論內(nèi)容:引入線性電源和開(kāi)關(guān)電源的概念，討論差異，突出電力電子技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。自學(xué)拓展：1)回顧所學(xué)過(guò)的功率半導(dǎo)體器件類型、特性、測(cè)試方法；2)了解開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源的概念、特點(diǎn)、應(yīng)用。2、相控整流電路(14學(xué)時(shí))【1.5，2.1】2.1晶閘管2.2單相橋式相控整流電路★2.3三相半波相控整流電路★2.4三相橋式相控整流電路★2.5帶平衡電抗器的雙反星型可控整流電路★2.6變壓器漏抗對(duì)相控整流電路的影響2.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)目標(biāo)及要求：1)掌握晶閘管的主要參數(shù)和應(yīng)用要點(diǎn)，重點(diǎn)掌握晶閘管正確工作的條件★、電流參數(shù)的定量計(jì)算★，難點(diǎn)是維持電流和擎住電流的比較、應(yīng)用中的注意要點(diǎn)；2)掌握單相橋式全控和半控整流電路的工作原理、特性和波形分析、參數(shù)計(jì)算；3)掌握三相半波、三相橋式全控整流電路以及帶平衡電抗器的雙反星型可控整流電路的工作原理、特性和波形分析、參數(shù)計(jì)算；4)掌握電源變壓器漏抗對(duì)可控整流電路的影響；5)掌握三相半波相控電路工作在有源逆變狀態(tài)的原理、特性和波形分析；6)掌握電源變壓器漏抗對(duì)有源逆變電路的影響，逆變失敗的現(xiàn)象、原因和對(duì)策。作業(yè)內(nèi)容：1)強(qiáng)化晶閘管的工作條件和電流參數(shù)的定量計(jì)算；2)強(qiáng)化分析不同負(fù)載、續(xù)流二極管對(duì)晶閘管開(kāi)關(guān)條件的分析，訓(xùn)練波形繪制的能力；3)強(qiáng)化半控電路中晶閘管和二極管開(kāi)關(guān)條件的不同；4)強(qiáng)化器件定額的選取應(yīng)考慮全部工作范圍的最大應(yīng)力，并進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練；5)強(qiáng)化負(fù)載電流斷續(xù)狀態(tài)下晶閘管電壓應(yīng)力的分析方法。討論內(nèi)容:在純電阻和大電感負(fù)載條件下，相同整流電路中晶閘管最大電流應(yīng)力的不同。自學(xué)拓展：相控整流電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制與驅(qū)動(dòng)，準(zhǔn)備相關(guān)電力電子實(shí)驗(yàn)。3、高頻功率半導(dǎo)體器件(7學(xué)時(shí))【1.5，2.1】3.1功率半導(dǎo)體器件分類3.2功率二極管★3.3雙極型功率晶體管3.4功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管★3.5絕緣柵雙極型晶體管目標(biāo)及要求：1)掌握高頻功率二極管的分類、主要特性和參數(shù)★；掌握負(fù)溫度系數(shù)的概念，掌握反向恢復(fù)時(shí)間的概念，了解二極管的開(kāi)關(guān)特性；2)掌握常用全控器件（BJT、MOSFET、IGBT）的符號(hào)、特性、等效電路、主要參數(shù)和選用依據(jù)★。討論內(nèi)容:1)負(fù)溫度系數(shù)或者正溫度系數(shù)器件是否適合并聯(lián)；2)MOSFET的密勒效應(yīng)。4、非隔離型直流變換器(6學(xué)時(shí))【1.5，2.1】4.1Buck變換器★4.2Boost變換器★4.3Buck?Boost變換器4.4Cuk變換器目標(biāo)及要求：1)重點(diǎn)介紹Buck變換器、Boost變換器的電路拓?fù)?、工作原理、特性和參?shù)設(shè)計(jì)★；掌握應(yīng)用電路穩(wěn)態(tài)條件推導(dǎo)輸入輸出關(guān)系的通用方法★；2)簡(jiǎn)要介紹Buck?Boost和Cuk等拓?fù)涞墓ぷ髟?。作業(yè)內(nèi)容：1)強(qiáng)化輸入輸出電壓關(guān)系、電感電容設(shè)計(jì)和功率器件選擇，訓(xùn)練典型波形的繪制能力；2)強(qiáng)化利用電感電流脈動(dòng)或伏秒積平衡等方法推導(dǎo)變換器輸入輸出關(guān)系。討論內(nèi)容：1)負(fù)載變化對(duì)變換器外特性的影響；2)電流連續(xù)和電流斷續(xù)模式下變換器特性的比較。5、隔離型直流變換器(8學(xué)時(shí))5.1正激變換器★5.2反激變換器★5.3推挽變換器5.4Cuk變換器5.5全橋變換器目標(biāo)及要求：1)重點(diǎn)介紹正激和反激變換器的電路拓?fù)洹⒐ぷ髟?、特性和參?shù)設(shè)計(jì)★；2)簡(jiǎn)要介紹推挽、半橋和全橋等變換器的工作原理。作業(yè)內(nèi)容：強(qiáng)化輸入輸出電壓關(guān)系、電感電容設(shè)計(jì)和功率器件選擇，訓(xùn)練典型波形的繪制能力。討論內(nèi)容：不同隔離型直流變換器中變壓器的工作狀態(tài)和特點(diǎn)。6、DC/AC逆變器(3學(xué)時(shí))6.1電壓型逆變器工作原理★6.2電壓型逆變器的脈寬調(diào)制技術(shù)目標(biāo)及要求：1)重點(diǎn)掌握電壓型單相逆變器的工作原理★；2)掌握正弦脈寬調(diào)制的原理與實(shí)現(xiàn)方法。討論內(nèi)容：DC/AC逆變器與相控整流電路的有源逆變狀態(tài)之間的區(qū)別。7、開(kāi)關(guān)管的緩沖電路(2學(xué)時(shí))7.1開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷特性7.2直流變換器的基本緩沖電路★7.3直流變換器的無(wú)損緩沖電路目標(biāo)及要求：1)開(kāi)通和關(guān)斷緩沖的基本原理★、基本緩沖電路（RCD和RLD）的分析★；2)簡(jiǎn)要介紹無(wú)損緩沖的意義、原理和典型電路。8、軟開(kāi)關(guān)直流變換器(2學(xué)時(shí))8.1軟開(kāi)關(guān)變換器的分類8.2準(zhǔn)諧振變換器目標(biāo)及要求：1)簡(jiǎn)要介紹軟開(kāi)關(guān)技術(shù)；2)掌握基本準(zhǔn)諧振變換器的工作原理。自學(xué)拓展：自學(xué)移相控制零電壓開(kāi)關(guān)全橋變換器和LLC諧振變換器。9、控制電路(1學(xué)時(shí))9.1電力電子變換器系統(tǒng)構(gòu)成9.2集成PWM控制器基本組成和工作原理目標(biāo)及要求：掌握DC/DC變換器閉環(huán)系統(tǒng)的組成和PWM控制原理。自學(xué)拓展：自學(xué)SG3525PWM控制芯片的主要功能和性能，準(zhǔn)備相關(guān)實(shí)驗(yàn)。10、驅(qū)動(dòng)電路(2學(xué)時(shí))10.1MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的要求★10.2共地驅(qū)動(dòng)電路10.3浮地驅(qū)動(dòng)電路10.4隔離型驅(qū)動(dòng)電路★10.5IGBT驅(qū)動(dòng)電路目標(biāo)及要求：1)介紹MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的基本要求；2)場(chǎng)控器件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)及典型電路。11、電力電子變換器中的磁性元件(2學(xué)時(shí))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磁芯的工作狀態(tài)★11.4常用磁性材料的性能及選用目標(biāo)及要求：1)掌握磁芯材料B-H曲線的關(guān)鍵參數(shù)以及氣隙對(duì)于磁芯材料基本特性的影響；2)結(jié)合實(shí)際變換器掌握磁芯的不同工作狀態(tài)；3)掌握磁芯的關(guān)鍵特性參數(shù)；能夠在不同場(chǎng)合合理選用磁芯材料。作業(yè)要求：結(jié)合具體應(yīng)用電路、選擇合適的磁芯材料，了解不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)磁芯B-H曲線、儲(chǔ)能等的需求。三、教學(xué)方法在教學(xué)方式上，以現(xiàn)有課堂講授、電力電子技術(shù)精品課程（在線教學(xué)）平臺(tái)和電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，不斷地豐富教學(xué)內(nèi)容，積極采用啟發(fā)和研討式教學(xué)方法，進(jìn)一步提升課堂的生動(dòng)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和應(yīng)用積極性。利用理論教學(xué)并結(jié)合電力電子實(shí)驗(yàn)課程，強(qiáng)調(diào)電力電子技術(shù)的工程實(shí)踐性特點(diǎn)，真正提高學(xué)生應(yīng)用相關(guān)工程知識(shí)、分析解決工程問(wèn)題的能力，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生能力、提高教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)?，F(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容組織以器件發(fā)展為綱，分為晶閘管部分和基于高頻器件的功率變換電路兩大部分，充分體現(xiàn)了功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。開(kāi)關(guān)器件的特點(diǎn)和應(yīng)用對(duì)于缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生而言，內(nèi)容抽象、知識(shí)點(diǎn)的系統(tǒng)性不夠好。本課程教學(xué)中，將難點(diǎn)分散，逐步深化，結(jié)合應(yīng)用，深入淺出。教學(xué)內(nèi)容的組織，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，更容易達(dá)成教學(xué)效果。在課堂教學(xué)中，針對(duì)難點(diǎn)與重點(diǎn)內(nèi)容，可采用循序漸進(jìn)，并將基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，使得抽象問(wèn)題具體化，讓學(xué)生掌握電力電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生理論與實(shí)際結(jié)合能力、工程問(wèn)題分析能力的培養(yǎng)。在具體問(wèn)題分析過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)、電路等基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)工程問(wèn)題進(jìn)行建模、分析、求解。此外，本課程的教學(xué)內(nèi)容將不斷更新，充分結(jié)合電力電子技術(shù)的最新進(jìn)展，引入一些最新研究成果，拓寬學(xué)生的視野，從理論知識(shí)、分析能力、應(yīng)用能力和解決問(wèn)題的能力方面不斷豐富教學(xué)內(nèi)容。課堂教學(xué)流程設(shè)計(jì)框圖四、考核及成績(jī)?cè)u(píng)定方式課程考核方式：筆試+平時(shí)測(cè)驗(yàn)及作業(yè)；成績(jī)?cè)u(píng)定方式：期末考試70%，平時(shí)測(cè)試+作業(yè)：30%。五、教材及參考書目教材：阮新波主編.電力電子技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2021年。參考書目：Eric