1、电力电子技术答案第二章2-1与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得其具有耐受高压和大电流的能力？答：1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著提高了二极管的通流能力。2.电力二极管在 P 区和 N 区之间多了一层低掺杂 N 区，也称漂移区。低掺杂 N 区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂 N 区就可以承受很高的电压而不被击穿。2-2. 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。 2-3. 维持晶闸管导
2、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。 2-4 图2-27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。解：a) I d1=Im271.0)(2Im)(sinI214 tI1=46.3i4 wtdb) Id2=I5.0)12(I)(sinI4
3、tI2=Im6741.0243Im)(sin(Im142 wtdc) Id3=20I41tI3= 2)(I120td2-5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 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 IT(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) Id10.2717Im1 89.48A10.4767329.35b) Id2 AIm56.12543.0 20.6741232.90c) Im3=2I=314 Id3=7812-6 GTO 和普通晶闸管同为 PNPN 结构,
4、 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， 12是器件临界导通的条件。 2 两个等效晶体管过饱和而导通； 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 1的更接近于 l，普通晶闸管 5.12，而 GTO则为 05.12，GTO 的饱和程度
5、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。2-7 与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得它具有耐受高电压电流的能力？答1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著提高了二极管的通流能力。2.电力二极管在 P 区和 N 区之间多了一层低掺杂 N 区，也称漂移区。低掺杂 N 区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂 N 区就可以承受很高的电压
6、而不被击穿。2-8 试分析 IGBT 和电力 MOSFET 在内部结构和开关特性上的相似与不同之处.答：IGBT 比电力 MOSFET 在背面多一个 P 型层，IGBT 开关速度小，开关损耗少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。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。 电力 MOSFET 驱动电路的特点：要求驱动电路具有较
7、小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。 2-11目前常用的全控型电力电子器件有哪些？答：门极可关断晶闸管, 电力晶闸管，电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管。 第三章3-1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电，L 20mH ，U2100V，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： tUtisin2d考虑到初始条件：当 t0 时 id0 可解
8、方程得： )co1(dL20 )cos1(tLUI= =22.51(A)2ud 与 id 的波形如下图：0 2 tu20 2 tud0 2 tid当 60时，在 u2 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 u2 负半周期 180 300 期间释放，因此在 u2 一个周期中 60 300 期间以下微分方程成立： tUtiLsind考虑初始条件：当 t60 时 id0 可解方程得： )cos21(dtLUi其平均值为 = =11.25(A)(cos21(2135d tLUI 2此时 ud 与 id 的波形如下图：tudid + + ttu20+ +3-2图
9、3-10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 ；当负载2U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
10、 2 。U 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、VT 4 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、VT 3 导通，输出电压等于 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、VT 4 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、VT 3 导
11、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。3-3单相桥式全控整流电路，U2 100V，负载中 R2，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。解：u d、i d、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Ud0.9 U 2 cos0.9100cos3077.97（V ）IdU d /R77.97/238.99（A）I2I
12、 d 38.99（A ）晶闸管承受的最大反向电压为： U2100 141.4（V ）考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：U N（23）141.4283424（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：I VTI d 27.57（A ）晶闸管的额定电流为：I N（1.52）27.571.572635（A）具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。3-4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，交流电源电压由晶闸管平衡。整流二极管在一周内承受
13、的电压波形如下： 0 2 tttu2uVD2uVD4003-5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：u d、i d 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Ud0.9 U2 cos0.9100cos30 77.97(A)Id (U dE)/R(77.97 60)/2
14、9(A)I2I d 9(A)晶闸管承受的最大反向电压为： U2100 141.4（V ）流过每个晶闸管的电流的有效值为：I VTI d 6.36（A ）故晶闸管的额定电压为：U N(23)141.4283424（V）晶闸管的额定电流为：I N(1.52)6.361.5768 （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。3-6. 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：u d、i d、i VT、i D
15、 的波形如下图： u2O tO tO tudidO tO tIdIdIdiVT1iVD2负载电压的平均值为：67.5（V）2)3/cos(19.0)(dsin132dUtU负载电流的平均值为：I dU dR67.52233.75（ A）流过晶闸管 VT1、VT 2 的电流有效值为：I VT Id19.49（A）3流过二极管 VD3、VD 4 的电流有效值为：I VD Id27.56（A）323-7. 在三相半波整流电路中，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 ，当负载为电阻时，u d 的波形如下：0ud ua ub ucO tud ua
16、ub ucO t当负载为电感时，u d 的波形如下： ud ua ub ucO tud ua ub ucO t3- 8三相半波整流电路，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？a1ABCNn N AB Cn2-60b1 c1a2 b2 c2 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，a 1 的电流向下流，c 2 的
17、电流向上流；当 c1b2 对应的晶闸管导通时，c 1 的电流向下流，b 2 的电流向上流；当 b1a2 对应的晶闸管导通时，b 1 的电流向下流，a 2 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。3-9三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b 两相的自然换相点是同一点吗？如果不是，它们在相位上差多少度？答：三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b 两相之间换相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差 180。3- 10有两组三相半波可控整流
18、电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是 ，那末共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是 a 相，在相位上差多少度？答：相差 180。3- 11三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5，L 值极大，当=60 时，要求：画出 ud、id 和 iVT1 的波形；计算 Ud、Id、IdT 和IVT。解：u d、i d 和 iVT1 的波形如下图：udua ubucidO tO tO tiVT1=30u2 uaubucO tU d、I d、I dT 和 IVT 分别如下 Ud1.17U 2cos1.17 100cos6058.5（V）IdU
19、 dR58.5511.7（A）IdVTI d311.733.9（A）IVTI d 6.755（A）3-12在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压 ud 波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？答：假设 VT1 不能导通，整流电压 ud 波形如下：udO t假设 VT1 被击穿而短路，则当晶闸管 VT3 或 VT5 导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT 5 也可能分别被击穿。3- 13三相桥式全控整流电路，U 2=100V，带电阻电感负载，R=5，L 值极大，当=60 时，要求： 画出 ud、i d 和 iVT1 的波形； 计算
20、 Ud、I d、I dT 和 IVT。解：u d、i d 和 iVT1 的波形如下： = 60u2uduabuacubcubaucaucbuabuacua ub ucO tt1O tid tO tOiVT1U d、I d、I dT 和 IVT 分别如下Ud2.34U 2cos2.34100cos60117（V）IdU dR117523.4（A）IDVTI d323.437.8（A ）IVTI d 23.4 13.51（A）3-14单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1，L=， E=40V，U 2=100V，L B=0.5mH，当 =60 时求 Ud、I d 与 的数值，并画出整流电压 ud 的波
21、形。解：考虑 LB 时，有：Ud0.9U 2cosU dU d2X BIdId（U dE ）R解方程组得：Ud（R 0.9U 2cos 2X BE）（R 2XB）44.55（V）U d0.455（V ）Id4.55（A ）又 U 2cos)(BdI即得出=0.479860换流重叠角 61.33 60=1.33最后，作出整流电压 Ud 的波形如下：O tO tudu23-15三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V，R =1，L=，L B=1mH，求当 =30 时、E=50V 时 Ud、I d、 的值并作出 ud 与iVT1 和 iVT2 的波形。解：考虑 LB 时，有：Ud1.17U 2cosU dU d3X BId2Id（U dE ）R解方程组得：Ud（R 1.17U 2cos 3X BE）（2R3X B）94.63（V）U d6.7（V ）Id44.63（A ）又 2 U2cos)(BdI6即得出=0.75230换流重叠角 41.28 30=11.28ud、i VT1 和 iVT2 的波形如下：udiVT1 tO tO Idua ub uciVT2 tO IdOua ub ucu23-16三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5，L=，U 2=220V，X B=0.3，
