1、目 录 第 1章 电力电子器件 1 第 2章 整流电路 4 第 3章 直流斩波电路 20 第 4章 交流电力控制电路和交交变频电路 26 第 5章 逆变电路 31 第 6章 PWM 控制技术 35 第 7章 软开关技术 40 第 8章 组合变流电路 42 1 第 1 章 电力电子器件 1. 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或： uAK0 且uGK0。 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。 要使晶闸管由导
2、通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。 3. 图 1-43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 Im，试计算各波形的电流平均值 Id1、 Id2、 Id3与电流有效值 I1、 I2、 I3。 0 02 2 2 44 25 4a) b) c)图1 - 4 30图 1-43 晶闸管导电波形 解： a) Id1=21 4 )(sin ttdIm=2mI( 122) 0.2717 Im I1= 4 2 )()s in(21 tdtI m=2mI 2143 0.4767 Im b) I
3、d2 =1 4 )(sin ttdIm=mI( 122 ) 0.5434 Im I2 = 4 2 )()s in(1 tdtI m= 22mI2143 0.6741I m c) Id3=21 20 )( tdIm=41Im I3 = 20 2 )(21 tdIm =21 Im 4. 上题中如果不考虑安全裕量 ,问 100A 的晶闸管能送出的平均电流 Id1、 Id2、 Id3各为多少？这时，相应的电流最大值 Im1、 Im2、 Im3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 2 a) Im14767.0I 329.3
4、5， Id1 0.2717 Im1 89.48 b) Im26741.0I 232.90, Id2 0.5434 Im2 126.56 c) Im3=2 I = 314, Id3=41Im3=78.5 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 和普通晶闸管同为 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 ，由普通晶闸管的分析可得， 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
5、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： 1) 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 导通时的 1 + 2 更接近于 1，普通晶闸管 1 + 2 1.15，而 GTO 则为 1 + 2 1.05，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。 6. 如何防止电力 MOSFET 因静电感应应起的
6、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。 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， IGBT 是电压驱动型
7、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，且一3 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。 8.
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。 9. 试说明 IGBT、 GTR、 GTO 和电力 MOSFET 各自的优缺点。 解：对 IGBT、 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
9、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 10k
10、W 的电力电子装置 4 第 2章 整流电路 1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电， L 20mH， U2 100V，求当 0和 60时的负载电流 Id，并画出 ud与 id波形。 解： 0时，在电源电压 u2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 u2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 u2的一个周期里，以下方程均成立： tUtiL s in2dd 2d 考虑到初始条件：当 t 0时 id 0可解方程得： )c o s1(2 2d tLUi 20 2d )(d)c o s1(221 ttLUI = LU
11、22 =22.51(A) ud与 id的波形如下图： 0 2 tu20 2 tud0 2 tid当 60时，在 u2正半周期 60180期间晶闸管导通使电感 L储能，电感 L 储藏的能量在 u2负半周期 180300期间释放，因此在 u2一个周期中 60300期间以下微分方程成立： tUtiL s in2dd 2d 考虑初始条件：当 t 60时 id 0 可解方程得： )c o s21(2 2d tLUi 其平均值为 5 )(d)c o s21(221 3532d ttLUI = LU22 2 =11.25(A) 此时 ud与 id的波形如下图： tudid+ + t tu20+ +2图 2-
12、9 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 22U ； 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的问题。 因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题。 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
13、 2 22U 。 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：（ 0）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 VT1、 VT4导通，输出电压均与电源电压 u2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 u2。 对于电感负载：（ ）期间，单相全波电路中 VT1导通，单相全控桥电路中 VT1、 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 u2。 可见
14、，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。 3单相桥式全控整流电路， U2 100V，负载中 R 2， L 值极大，当 30时，要求：作出 ud、id、和 i2的波形； 6 求整流输出平均电压 Ud、电流 Id，变压器二次电流有效值 I2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。 解： ud、 id、和 i2的波形如下图： u2O tO tO tudidi2O tIdId输出平均电压 Ud、电流 Id，变压器二次电流有效值 I2分别为 Ud 0.9 U2 cos 0.9 100 cos30 77.97（ V） Id Ud /R 77.97/2 38.99（ A） I2
15、 Id 38.99（ A） 晶闸管承受的最大反向电压为： 2 U2 100 2 141.4（ V） 考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为： UN（ 23） 141.4 283424（ V） 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。 流过晶闸管的电流有效值为： IVT Id 2 27.57（ A） 晶闸管的额定电流为： IN（ 1.52） 27.57 1.57 2635（ A） 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。 4单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。 解：注意到二极管的特点：承受电压为正即导通。因此，二极管承受的电压不会出现正的部分。在电路中器件均不导通的阶段，交
16、流电源电压由晶闸管平衡。 整 流二极管在一周内承受的电压波形如下： 7 0 2 t t tu2uVD2uVD4005单相桥式全控整流电路， U2=100V，负载中 R=2， L值极大，反电势 E=60V，当 =30时，要求： 作出 ud、 id和 i2的波形； 求整流输出平均电压 Ud、电流 Id，变压器二次侧电流有效值 I2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。 解： ud、 id和 i2的波形如下图： u2O tO tO tudidi2O tIdIdId整流输出平均电压 Ud、电流 Id，变压器二次侧电流 有效值 I2分别为 Ud 0.9 U2 cos 0.9 100 cos3
17、0 77.97(A) Id (Ud E)/R (77.97 60)/2 9(A) I2 Id 9(A) 晶闸管承受的最大反向电压为： 2 U2 100 2 141.4（ V） 流过每个晶闸管的电流的有效值为： IVT Id 2 6.36（ A） 故晶闸管的额定电压为： UN (23) 141.4 283424（ V） 晶闸管的额定电流为： 8 IN (1.52) 6.36 1.57 68（ A） 晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。 6. 晶闸管串联的单相半控桥（桥中 VT1、 VT2为晶闸管），电路如图 2-11 所示， U2=100V，电阻电感负载， R=2， L 值
18、很大，当 =60时求流过器件电流的有效值，并作出 ud、 id、 iVT、 iD的波形。 解： ud、 id、 iVT、 iD的波形如下图： u2O tO tO tudidO tO tIdIdIdiVT1iVD2 负载电压的 平均值为： 2 )3/c o s (19.0)(ds i n21 23 2d UttUU 67.5（ V） 负载电流的平均值为： Id Ud R 67.52 2 33.75（ A） 流过晶闸管 VT1、 VT2的电流有效值为： IVT 31 Id 19.49（ A） 流过二极管 VD3、 VD4的电流有效值为： IVD 32 Id 27.56（ A） 7. 在三相半波整流
19、电路中，如果 a 相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压 ud的 波形。 解：假设 0 ，当负载为电阻时， ud的波形如下： 9 u d u a u b u cO tu d u a u b u cO t当负载为电感时， ud的波形如下： u d u a u b u cO tu d u a u b u cO t8三相半波整流电路，可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法，每段的电动势相同，其分段布置及其矢量如图 2-60所示，此时线圈的绕组增加了一些，铜的用料约增加 10%，问变压器铁心是否被直流磁化，为什么？ a1A B CNnNABCn图 2 -6 0b1c1a2b2c2 a1b1c1a2b2c2图 2-60 变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图 答：变压器铁心不会被直流磁化。原因如下： 变压器二次绕组在一个周期内：当 a1c2对应的晶闸管导通时， a1的电流向下流， c2的电流向上流；当 c1b2对应的晶闸管导通时， c1的电流向下流， b2的电流向上流；当 b1a2对应的晶闸管导通时， b1的电流向下流， a2的电流向上流；就变压器的一次绕组而言，每一周期中有两段时间（各为 120）由电流流过，流过的电流大小相等而方向相反，故一周期内流过的电流平均值为零，所以变压器铁心不会被直流磁化。
