1、1 第一章 电力电子器件 填空题： 1.电力电子器件一般工作在 开关 状态。 2.在通常情况下，电力电子器件功率损耗主要为 通态损耗 ，而当器件开关频率较高时，功率损耗主要为 开关损耗 。 3.电力电子器件组成的系统，一般由 控制电路 、 驱动电路 、 主电路 三部分组成，由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加 检测与保护电路 。 4.按内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件可分为 单极性 、 双极性 、 复合型 三类。 5.电力二极管的工作特性可概括为 单向导电性 。 6.电力二极管的主要类型有 整流二极管 、 快恢复二极管 、 肖特基二极管 。 7.肖特基二极管的开关损耗
2、 小于 快恢复二极管的开关损耗。 8.晶闸管的基本工作特性可概括为 门极端 正向 触发则导通、 阳极与阴极端的强电压 反向 则 截止。 9.对同一晶闸管，维持电流 IH 与擎住电流 IL 在数值大小上有 IL 大于 IH 。 10.晶闸管断态不重复电压 UDRM 与转折电压 Ubo数值大小上应为 UDRM 小于 Ubo。 11.逆导晶闸管是将 二极管 与晶闸管 反并联 （如何连接）在同一管芯上的功率集成器 件。 12.GTO 的 多元集成 结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。 13.功率晶体管 GTR 从高电压小电流向低电压大电流跃变的现象称为 击穿 。 14.MOSFET 的漏极伏安特性
3、中的三个区域与 GTR 共发射极接法时的输出特性中的三个区域有对应关系，其中前者的截止区对应后者的 截止区 、前者的饱和区对应后者的 放大区 、前者的非饱和区对应后者的 饱和区 。 15.电力 MOSFET 的通态电阻具有 正 温度系数。 16.IGBT 的开启电压 UGE（ th）随温度升高而 降低 ，开关速度 低于 电力MOSFET 。 17.功率集成电路 PIC 分为二大类，一类是高压集成电路，另一类是 功率集成电路 。 18.按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的性质，可将电力电子器件分为 电流控制型 和 电压 控制型 两类。 19.为了利于功率晶体管的关断，驱动电流后沿应是
4、 缓慢衰减 。 20.GTR 的驱动电路中抗饱和电路的主要作用是 加快关断速度 。 21.抑制过电压的方法之一是用 RC 电路 吸收可能产生过电压的能量，并用电阻将其消耗。在过电流保护中，快速熔断器的全保护适用于 小 功率装 置的保护 。 22.功率晶体管缓冲保护电路中的二极管要求采用 快恢复 型二极管，以便与功率晶体管的开关时间相配合。 2 23.晶闸管串联时，给每只管子并联相同阻值的电阻 R 是 静态均压 措施，给每只管子并联 RC 支路是 动态均压 措施，当需同时串联和并联晶闸管时，应采用 先串后并 的方法。 24.IGBT 的通态压降在 1/2 或 1/3 额定电流以下区段具有 负 温
5、度系数， 在 1/2或 1/3 额定电流以上区段具有 正 温度系数。 25.在如下器件：电力二极管（ Power Diode）、晶闸管（ SCR）、门极可 关断晶闸管（ GTO）、电力晶体管（ GTR）、电力场效应管（电力 MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）中，属于不可控器件的是 Power Diode ，属于半控型器件的是 SCR ，属于全控型器件的是 GTO、 GTR、电力 MOSFET、 IGBT ；属于单极型电力电子器件的有 电力 MOSFET ，属于双极型器件的有 Power Diode、 SCR、 GTO、 GTR ，属于复合型电力电子器件 的 有 IGBT ；在可控
6、的器件中，容量最大的是 GTO ，工作频率最高的是 电力 MOSFET ，属于电压驱动的是 电力 MOSFET、 IGBT ，属于电流驱动的是 SCR、 GTO、 GTR 。 简答题： 26.电力电子器件是如何定义和分类的？同处理信息的电子器件相比，它的特点是什么？ 27.应用电力电子器件的系统组成如题图 1-27 所示，试说明其中保护电路的重要意义？ 28.二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂 N 区的欧姆电阻，阻值较高且为常量，为何二极管在正向电流较大时管压降仍然很低？ 29.二极管在恢复阻断能力时为什么会形成反向电流和反向电压过冲？这与它们的单相导电性能是否矛盾？这种反向电流在电 路使用中
7、会带来什么问题？ 30.使晶闸管导通的条件是什么？ 答： 使晶闸管导通的条件 ： 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，直到晶闸管电流达到擎住电流 IL 以上 。 31.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。 3 要使晶闸管由导通变为关断，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 。 32.GTO 和普通晶闸管同为 PNPN 结构，为什么 GTO 能够自关断，而普
8、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
9、 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。 33.GTR 的安全工作区是如何定义的？如题图 1-33 所示， GTR 带电感性负载时，如果不接二极管 VD 会产生什么问题？有了二极管 VD 是否还要加缓冲电路呢？ 34.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 的输入电容是低泄露电容，
10、当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过 20V 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。 35.晶闸管的触发电路有哪些要求？ 36.GTO 与 GTR 同为电流控制器件，前者的触发信号与后者的驱动信号有哪些异同？ 37.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， IGB
11、T 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。 4 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
12、电路简单。 38.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么？试分析 RCD 缓冲电路中各组件的作用。 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。 39.试说明 IGBT、 GTR、 GTO 和电力 MOSFET 各自的优缺点。 答 ： 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
13、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 。
14、计算题： 40.晶闸管在单相正弦有效值电压 220V 时工作 ， 若考虑晶闸管的安全裕量 为 2.5，其电压定额应选多大 ? 41.流经晶闸管的电流波形如题图 1-41 所示。试计算电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全裕量为 2，问额定电流为 100A 的晶闸管，其允许通过的电流5 平均值和最大值为多少 ？ 42.在题图 1-42 电路中， E=50V， R=0.5W， L=0.5H，晶闸管擎住电流为 15mA。要使晶闸 管导通，门极触发脉冲宽度至少应为多少？ 43.题图 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
15、、 Id2、 Id3与电流有效值 I1、 I2、 I3。 解： a) Id1= 21 4 )(sin ttdIm= 2mI ( 122 ) 0.2717 Im I1= 4 2 )()s in(21 tdtI m= 2mI2143 0.4767 Im b) Id2 =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=41 Im I3 = 20 2 )(21 tdI m =21 Im 44.上题中如果不考虑安全裕量 ， 问 100A 的晶闸管
16、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 a) Im1 4767.0I 329.35， Id1 0.2717 Im1 89.48 b) Im2 6741.0I 232.90, Id2 0.5434 Im2 126.56 c) Im3=2 I = 314, Id3= 41 Im3=78.5 6 第二章 整流电路 填空题： 1.电阻负载的特点是 电压与电流成正比 ，在单相半波可控整流电阻性负载电路中，晶闸管控制角 的最
17、大移相范围是 0 180 。 2.阻感负载的特点是 流过电感的电流不能发生突变 ，在单相半波可控整流带阻感负载并联续流二极管的电路中，晶闸管控制角 的最大移相范围是 0 180 ，其承受的最大正反向电压均为 22U ，续流二极管承受的最大反向电压为 22U （设 U2 为相电压有效值）。 3.单相桥式全控整流电路中，带纯电阻负载时， 角移相范围为 0 180 ，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为222U和 22U ；带阻感负载时， 角移相范围为 0 90 ，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为 22U 和22U ；带反电动势负载时，欲使电阻上的电流不出现断续现象，可在主电
18、路中直流输出侧串联一个 平波电抗器 。 4.单相全控桥反电动势负载电路中，当控制角 大于不导电角 d 时，晶闸管的导通角 q = -d- ； 当控制角 小于不导电角 d 时，晶闸管的导通角 q = -2d 。 5.从输入输出上看，单相桥式全控整流电路的波形与 单相全波 的波形基本相同，只是后者适用于 低 输出电压的场合。 6.电阻性负载三相半波可控整流电路中，晶闸管所承受的最大正向电压 UFM 等于22U ，晶闸管控制角 的最大移相范围是 150 ，使负载电流连续的条件为 30 (U2为相电压有效值 )。 7.三相半波可控整流电路中 三个晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互差 120 ，当它带阻感
19、负载时， a 的移相范围为 0 90 。 8.三相桥式全控整流电路带电阻负载工作中，共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是 最高 的相电压，而共阳极组中处于导通的晶闸管对应的是 最低 的相电压；这种电路 角的移相范围是 0 120 ， ud 波形连续的 条件是 60 。 9.对于三相半波可控整流电路，考虑换相重迭角的影响，将 会 使得 输出电压平均值 Ud 减小 。 10.电容滤波单相不可控整流带电阻负载电路中，空载时，输出电压为22U，随负载加重 Ud 逐渐趋近于20.9U，通常设计时，应取 RC 1.5 2.5 T，此时输出电压为 (U2为相电压有效值 )Ud 1.2 U2。 11.电容滤波三
20、相不可控整流带电阻负载电路中，电流 id 断续和连续的临界条件是 3RC ，电路中的二极管承受的最大反向电压为 6 U2。 12.实际工作中，整流电路输出的电压是周期性的非正弦函数，当 从 0 90变化时，整流输出的电压 ud 的谐波幅值随 的增大而 增大 ，当 从 90 180变化时，整流输出的电压 ud 的谐波幅值随 的增大而 减小 。 13.三相桥式全控整流电路带阻感负载时，设交流侧电抗为零，直流电感 L 为足7 够大。当 =30时，三相电流有效值与 直流电流的关系为 I= 23 Id ，交流侧电流中所含 的 谐波次数为 61k ，其整流输出电压中所含的谐波次数为 6k 。 14.带平衡
21、电抗器的双反星形可控整流电路适用于 低电压大电流 的场合 ，当它带电感负载时，移相范围是 0 90 ，带电阻负载时，移相范围是 0 120 ；如果不接平衡电抗器，则每管最大的导通角为 60 ，每管的平均电流为 1/6 Id 。 15.多重化整流电路可以提高 功率因数 ，其中移相多重联结有 并联 多重联结 和 串联多重联结 两大类。 16.逆变电路中，当交流侧和电网连结时，这种电路称为 有源逆变 ，欲实现有源逆变，只能采用 全控整流 电路 ，当控制角 0/2，使 Ud为负值。 40.什么是逆变失败？如何防止逆变失败？ 答： 逆变运行时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，
22、或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，由于逆变电路内阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败或逆变颠覆。 防止逆变失败的方法有：采用精确可靠的触发电路，使用性能良好的晶闸管，保证交流电源的质量，留出充足的换向裕量角 等。 计算题： 41.晶闸管通态平均电流 IT=100A，当流过晶闸管的实际电流如题图 2-41所示 ， 求允许平均电流 Id 的值 (不考虑环境温度与安全裕量 )? 42.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。 43.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； 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。 44.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
