电力电子技术 课后习题答案

第一章 电力电子器件 1.1 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲） 。或者 U AK >0 且 U GK >0 1.2 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。 1.3 图 143中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为 I m ，试计算各波形 的电流平均值 I d1 、I d2 、I d3 与电流有效值 I 1 、I 2 、I 3 。 解：a) I d1 = Im 2717 . 0 ) 1 2 2 ( 2 Im ) ( sin Im 2 1 4 tI 1 = Im 4767 . 0 2 1 4 3 2 Im ) ( ) sin (Im 2 1 4 2 wt d tb) I d2 = Im 5434 . 0 ) 1 2 2 ( 2 Im ) ( sin Im 1 4 wt d t I 2 = Im 6741 . 0 2 1 4 3 2 Im 2 ) ( ) sin (Im 1 4 2 wt d tc) I d3 = 2 0 Im 4 1 ) ( Im 2 1 t dI 3 = Im 2 1 ) ( Im 2 1 2 0 2 t d 1.4.上题中如果不考虑安全裕量,问 100A 的晶阐管能送出的平均电流 I d1 、I d2 、I d3 各为多少?这时，相应的 电流最大值 I m1 、I m2 、I m3 各为多少? 解：额定电流 I T(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值 I=157A,由上题计算结果知 a) I m1 35 . 329 4767 . 0 I A, I d1 0.2717I m1 89.48A b) I m2 , 90 . 232 6741 . 0 A I I d2 A I m 56 . 126 5434 . 0 2 c) I m3 =2I=314 I d3 = 5 . 78 4 1 3 m I1.5.GTO 和普通晶闸管同为 PNPN 结构,为什么 GTO 能够自关断,而普通晶闸管不能? 答：GTO 和普通晶阐管同为 PNPN 结构，由 P1N1P2 和 N1P2N2 构成两个晶体管 V1、V2，分别具有共基 极电流增益 1 和 2 ，由普通晶阐管的分析可得， 1 2 1 是器件临界导通的条件。 1 2 1 两 个等效晶体管过饱和而导通； 1 2 1 不能维持饱和导通而关断。 GTO 之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为 GTO 与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几 点不同：l)GTO 在设计时 2 较大，这样晶体管 V2 控制灵敏，易于 GTO 关断；2)GTO 导通时 2 1 的更接近于 l，普通晶闸管 5 . 1 2 1 ，而 GTO 则为 05 . 1 2 1 ， GTO 的饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件；3)多元集成结构使每个 GTO 元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得 P2 极区所谓的 横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。 1.6.如何防止电力 MOSFET 因静电感应应起的损坏? 答：电力 MOSFET 的栅极绝缘层很薄弱，容易被击穿而损坏。MOSFET 的输入电容是低泄漏电容，当栅 极开路时极易受静电干扰而充上超过±20的击穿电压，所以为防止 MOSFET 因静电感应而引起的损坏， 应注意以下几点：一般在不用时将其三个电极短接；装配时人体、工作台、电烙铁必须接地，测试时所有仪器外壳必须接地；电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高；漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。 1.7.IGBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET 的驱动电路各有什么特点? 答：IGBT 驱动电路的特点是:驱动电路具有较小的输出电阻，GBT 是电压驱动型器件，IGBT 的驱动多 采用专用的混合集成驱动器。GTR 驱动电路的特点是：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开 通过程，减小开通损耗；关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压， 以加速关断速度。GTO 驱动电路的特点是：GTO 要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅值和陡度，且一 般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和陡度要求更高，其驱动电路通常 包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。电力 MOSFET 驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。 1.8.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么?试分析 RCD 缓冲电路中各元件的作用。 答：全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压，du/dt 或过电流和 di/dt,，减小器件的开关 损耗。RCD 缓冲电路中，各元件的作用是：开通时，Cs 经 Rs 放电，Rs 起到限制放电电流的作用；关断时， 负载电流经 VDs 从 Cs 分流，使 du/dt 减小，抑制过电压。1.9.试说明 IGBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET 各自的优缺点。 解:对GBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET 的优缺点的比较如下表： 器件 优点 缺点 IGBT 开关速度高，开关损耗小， 具有耐脉冲电流冲击的能力， 通态压降较低，输入阻抗高， 为电压驱动，驱动功率小。 开关速度低于电力 MOSFET，电压,电流容量不 及 GTO 。 GTR 耐压高，电流大，开关特性 好，通流能力强，饱和压降 低。 开关速度低，为电流驱动， 所需驱动功率大，驱动电路 复杂，存在二次击穿问题。GTO 电压、电流容量大，适用于 大功率场合，具有电导调制 效应，其通流能力很强。 电流关断增益很小，关断时 门极负脉冲电流大，开关速 度低，驱动功率大，驱动电 路复杂，开关频率低。 电力 MOSFET 开关速度快，输入阻抗高， 热稳定性好，所需驱动功率 小且驱动电路简单，工作频 率高，不存在二次击穿问题。 电流容量小，耐压低，一般 只适用于功率不超过 10kW 的电力电子装置。 1.10什么是晶闸管的额定电流？ 答：晶闸管的额定电流就是它的通态平均电流，国标规定：是晶闸管在环境温度为 40和规定的冷却状态 下，稳定结温不超过额定结温所允许的最大工频正弦半波电流的平均值。 1.11为什么要限制晶闸管断电电压上升律 du/dt? 答：正向电压在阻断状态下，反向结 J 2 相当的一个电容加在晶闸管两端电压上升率过大，就会有过大的充 电电流，此电流流过 J 3 ，起到触发电流的作用，易使晶闸管误触发，所以要限制 du/dt。 1.12为什么要限制晶闸管导通电流上升率 di/dt? 答：在晶闸管导通开始时刻，若电流上升过快，会有较大的电流集中在门集附近的小区域内，虽然平均电 流没有超过额定值，但在小的区域内局部过热而损坏了晶闸管，所以要限制通态 di/dt。 1.13电力电子器件工作时产生过电压的原因及防止措施有哪些？ 答：产生原因： 1、由分闸、合闸产生的操作过电压； 2、雷击引起的雷击过电压； 3、晶闸管或与全控型器件反并联的续流二极管换相过程中产生的换相电压。 措施： 压敏电阻，交流侧 RC 抑制电路，直流侧 RC 控制电路，直流侧 RC 抑制电路，变压器屏蔽层，避雷器， 器件关断过电压 RC 抑制电路。 第2章 整流电路2.1.单相半波可控整流电路对电感负载供电，L=20Mh，U 2 =100V，求当 0 时和 60 时的负载电流 I d ， 并画出 U d 与 I d 波形。 解： 0 时，在电源电压 U 2 的正半周期晶闸管导通时，负载电感 L 储能，在晶闸管开始导通时刻，负 载电流为零。在电源电压 U 2 的负半周期，负载电感 L 释放能量，晶闸管继续导通。因此，在电源电压 U 2 的一个周期中下列方程成立： t U dt di L d sin 2 2 考虑到初始条件：当 0 t 时 i d =0 可解方程：） （ t cos 1 L U 2 I 2 d 2 0 d ) ( d t cos 1 L U 2 2 1 I t ） （ ) ( 51 . 22 U 2 2 A L U d 与 I d 的波形如下图：当 a= 60 时，在 U 2 的正半周期 60 180 期间，晶闸管导通使电感 L 储能，电感 L 储藏的能量在 U 2 负半周期 180 300 期间释放，因此在 U2 的一个周期中 60 300 期间，下列微分方程成立： t U dt di L d sin 2 2 考虑到初始条件：当 60 t 时 i d =0 可解方程得： i d = ) cos 2 1 2 2 t dt U （ 其平均值为 I d = 3 5 3 2 2 ) ( 25 . 11 L 2 U 2 ) ( ) cos 2 1 ( 2 2 1 A t d t L U 此时 U d 与 i d 的波形如下图： 2. 2图 1为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,问该变压器还有直流磁化问题吗?试说明: 晶闸管承受的最大反向电压为 2 2 U 2 ; 当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。 答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化问题。因为单相全波可控整流 电路变压器二次侧绕组中，在正负半周上下绕组中的电流方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不存在直流磁化的问题。 以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。以晶闸管 VT2 为例。当 VT1 导通时，晶闸管 VT2 通过 VT1 与 2个变压器二次绕组并联，所以 VT2 承受的最大电压为 2 2 U 2 。当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角 相同时，对于电阻负载：(O )期间无晶 闸管导通，输出电压为 0；( )期间,单相全波电路中 VT1 导通，单相全控桥电路中 VTl、VT4 导通， 输出电压均与电源电压 U 2 相等；( )期间均无晶闸管导通，输出电压为 0；( 2 )期间，单 相全波电路中 VT2 导通，单相全控桥电路中 VT2、VT3 导通，输出电压等于U 2 。对于电感负载： ( )期间，单相全波电路中 VTl 导通，单相全控桥电路中 VTl、VT4 导通，输 出电压均与电源电压 U2 相等； ( 2 )期间，单相全波电路中 VT2 导通，单相全控桥电路中 VT2、VT3 导通，输出波形等于-U2。 可见，两者的输出电压相同，加到同样的负载上时，则输出电流也相同。 2.3.单相桥式全控整流电路，U 2 =100V，负载中 R=20 ，L 值极大，当 = 30 时，要求： 作出 U d 、I d 、和 I 2 的波形； 求整流输出平均电压 U d 、电流 I d ，变压器二次电流有效值 I 2 ；