1、1第 1 章 电力电子器件习题答案1.晶闸管导通的条件是什么?关断的条件是什么?答: 晶闸管导通的条件: 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。晶闸管关断的条件:要关断晶闸管,必须使其阳极电流减小到一定数值以下,或在阳极和阴极加反向电压。2.为什么要限制晶闸管的通态电流上升率?答:因为晶闸管在导通瞬间,电流集中在门极附近 ,随着时间的推移,导通区才逐扩渐大,直到全部结面导通为止。在刚导通时,如果电流上升率 较大 ,会引起门极附近过热,造成晶闸/dit管损坏，所以电流上升率应限制在通态电流临界上升率以内。3.为什么要限制晶闸管的断态电压上升率？
2、答：晶闸管的 PN 结存在着结电容，在阻断状态下，当加在晶闸管上的正向电压上升率较大时，便会有较大的充电电流流过结电容，起到触发电流的作用，使晶闸管误导/dut通。因此，晶闸管的电压上升率应限制在断态电压临界上升率以内。4.额定电流为 100A 的晶闸管流过单相全波电流时，允许其最大平均电流是多少？解：额定电流为 100A 的晶闸管在不考虑安全裕量的情况下，允许的电流有效值为： AII 1570.57.1T(AV)晶闸管在流过全波电流的时候，其有效值和正弦交流幅值的关系为： 2d )sin(m02mT ItII其平均值与和正弦交流幅值的关系为： 0d si1ItII则波形系数为： 1.2dTf
3、IK则晶闸管在流过全波电流的时候，其平均值为： AI.41.57fTd所以，额定电流为 100A 的晶闸管流过单相全波电流时，允许其最大平均电流是 141.4A。5.晶闸管中通过的电流波形如下图所示，求晶闸管电流的有效值、平均值、波形系数及晶闸管额定电流。解：晶闸管电流的有效值为 AItII 5.1320d 21m302T 晶闸管电流的平均值为2AItII 7.6320d 21m30d 波形系数为 .1765dTfIK晶闸管的额定电流为 AI20).(5.1T(AV) 6.比较 GTO 与晶闸管的开通和关断，说明其不同之处。答：GTO 与晶闸管开通过程的不同之处：GTO 与晶闸管最大区别就是导
4、通后回路增益 数值不同，晶闸管的回路增益12常为 1.15 左右，而 GTO 得 略大于 1（其中 和 分别为 和1212212PN的共基极电流放大倍数， 比 小） 。NPGTO 与晶闸管关断过程的不同之处：GTO 处于临界饱和状态时用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断，又 GTO 得门极和阴极是多元并联结构，故也能从门极抽走更大的电流使 GTO 关断。而晶闸管导通之后处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断，它是通过使阳极电压减小到零或反向的方法来关断的。7.电力电子器件为何要设置缓冲电路？说明其作用。有哪些缓冲电路形式？答：附加各种缓冲电路，不仅能降低浪涌电压、 和
5、 ，还能减少器件的开关损/dut/it耗、避免器件损坏和抑制电磁干扰，提高电路可靠性。缓冲电路的作用是在电力电子器件开通和关断的过程中减缓其电流或电压上升率，以降低电力电子器件的开关损耗和开关应力。缓冲电路有耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路两种类型。其中前者有 5 种缓冲电路形式：RC 关断缓冲电路、RCD 关断缓冲电路、母线吸收式缓冲电路、开通缓冲电路、复合缓冲电路。8.简单说明大功率晶体管 BJT 与小功率晶体管作用有何不同。答：大功率晶体管耐压高，电流大，开关特性好，主要工作在开关状态。小功率晶体管用于信息处理，注重单管电流放大系数，线性度，频率响应以及噪声和温漂等性能参数。9.导致 BJ
6、T 二次击穿的因素有哪些？可采取何种措施抑制二次击穿的出现？答：二次击穿主要是由于器件局部过热引起的，而热点的形成需要能量的积累，即需要一定的电压、电流和一定的时间。因此集电极电压、电流、负载性质、导通脉冲宽度、基极电路的配置，以及材料、工艺等因素都对二次击穿有一定的影响。为防止 BJT 二次击穿，尽量避免采用电抗成分过大的负载，并合理选择工作点及工作状态，使之不超过 BJT 的安全工作区。10.VDMOS 结构会发生二次击穿吗？为什么？答：VDMOS 结构不会发生二次击穿.因为它是采用垂直导电的双扩散 MOS 结构,利用两次扩散形成的 P 型区和 N+型区,在硅片表面处的结深之差形成沟道,电
7、流在沟道内沿表面流动,然后垂直被漏极接收,具有正温度系数，故没有热点反馈引起的二次击穿,输入阻抗高,跨导的线性度好和工作频率高。311.功率 MOSFET 是电压控制器件，是否需要栅极驱动电流？答：功率 MOSFET 是电压控制器件，不需要栅极驱动电流。但由于有栅源电容，还是需要很小的一点电流的。12.功率 MOSFET 静电保护措施有哪些？答：功率 MOSFET 可采取 3 个方面的静电保护措施：应存放在防静电包装袋、导电材料包装袋或金属容器中，不能放在塑料袋或纸袋中。取用器件时应拿器件管壳，而不要拿引线。将开关管接入电路时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好是
8、用内热式烙铁，先焊漏极与源极或集电极和发射极，最好使用 1224V 的低电压烙铁，且前端作为接地点。在测试开关管时，测量仪器和工作台都必须良好接地，并尽量减少相同仪器的使用次数和使用时间，开关管的 3 个电极未全部接入测试仪器或电路前，不要施加电压，改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。13.IGBT 在何种情况下会出现擎住效应？使用中如何避免出现该效应？答：因为 IGBT 是 4 层结构，体内存在一个寄生晶体管，在 NPN 晶体管的基极与发射极之间存在一个体区短路电阻,P 型区的横向空穴流过该电阻会产生一定压降,对 J3 结来说相当于一个正偏置电压,当输出集电极电流 ic 大到一定程度
9、时,该正偏置电压使 NPN 晶体管导通,进而使 NPN 和 PNP 晶体管处于饱和状态,于是寄生晶闸管导通,栅极失去控制作用,这就是所谓的擎住效应。所以，IGBT 在使用中, 应注意防止过高的 和过大的过载电流。/dut14.晶闸管并联时，有几种引起电流不平衡的原因？如何抑制？答：由于并联的各个晶闸管在导通状态时的伏安特性各不相同，却有相同的端电压，因而通过并联器件的电流是不等的。为了使并联器件的电流均匀分配，除了选用特性比较一致的器件进行并联外，还可采用串联电阻法和串联电感等均流措施。15简述产生过电压的原因，对不同的过电压分别采取什么样的保护措施？答：引起过电压的原因：（1） 操作过电压。
10、由断路器的拉闸、合闸、变压器的通电、断电等经常性操作中的电磁过程引起的过电压。（2） 浪涌过电压。由雷击等偶然原因引起，从电网进入变换器的过电压，其幅值远远高于工作电压。（3） 电力电子器件关断过电压。电力电子器件关断时，由于回路电感在电力电子器件上产生的过电压。（4） 过电压和过电流保护动作引起的过电压。某处过电流过电压动作时所产生的电路的过电流过电压抑制过程，可能引起电路其他部分产生过电流过电压。（5） 泵升过电压。在电力电子变换器电动机调速系统中，由于电动机回馈制动造成直流侧过电压。对不同的过电压可采取的保护措施有：（1） 雷击过电压可在变压器初级接避雷器加以保护。（2） 二次电压很高或
11、变压比很大的变压器，一次侧合闸时，由于一次、二次绕组间存在分布电容，高电压可能通过分布电容耦合到二次侧而出现瞬时过电压。对此可采取变压器附加屏蔽层接地或变压器星形中点通过电容接地的方法来减小电压。（3） 阻容保护电路是变换器中用得最多的过电压保护措施。4（4） 泵升电压应该采用泄放回路或者将能量回馈电网。16简述产生过电流的原因，对不同的过电流分别采取什么样的保护措施？答：产生过电流的原因：（1） 外部出现负载过大、交流电源电压过高或过低、缺相时引起的过电流。（2） 电力电子变换器内部某一器件击穿或短路、线路绝缘老化失效、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败引起的过电流。（3） 控制线路
12、、触发电路、驱动电路的故障或干扰信号的侵入引起的误动作引起的过电流。（4） 配线等人为的错误引起的过电流。对不同的过电流可采取的保护措施有：（1） 交流进线电抗器。加入进线电抗器或采用漏抗大的整流变压器，利用电感限制短路电流。（2） 电流检测装置和直流过流继电器。在交流侧设置电流检测装置，利用过电流信号控制触发电路，使触发脉冲后移或使晶闸管关断，使输出直流电压下降，从而抑制过电流。加过流继电器也能实现过流保护，但动作时间大约 200ms，不能有效地保护电力电子器件。（3） 快速熔断器。它是防止变换器过电流损坏的最后一道防线。（4） 直流快速开关。它的动作时间只有 2ms,在直流侧过电流时，它可
13、先于快速熔断器动作而达到保护电力电子器件的目的。17.阐述不同过电流保护的动作时序。答：交流进线电抗器。加入进线电抗器或采用漏抗大的整流变压器，利用电感限制短路电流。电流检测装置和直流过流继电器。在交流侧设置电流检测装置，利用过电流信号控制触发电路，使触发脉冲后移或使晶闸管关断，使输出直流电压下降，从而抑制过电流。直流快速开关。它的动作时间只有 2ms,在直流侧过电流时，它可先于快速熔断器动作而达到保护电力电子器件的目的。快速熔断器。它是防止变换器过电流损坏的最后一道防线。第 2 章 可控整流器与有源逆变器习题解答2-1 具有续流二极管的单相半波可控整流电路，电感性负载，电阻为 5,电感为 0
14、.2H，电源电压 为 220V，直流平均电流为 10A，试计算晶闸管和续流二极管的电流有效值，并2U指出其电压定额。解：由直流输出电压平均值 的关系式：dU2cos145.0已知直流平均电流 为 10A，故得：dI ARId0可以求得控制角 为： 125.1.02cos Ud5则 =90。所以，晶闸管的电流有效值求得， AIItdII ddVT 5212212 续流二极管的电流有效值为： AIIdVDR6.8晶闸管承受的最大正、反向电压均为电源电压的峰值 ，考虑 23 倍安全2UM裕量，晶闸管的额定电压为 VUMTN 93623123续流二极管承受的最大反向电压为电源电压的峰值 ，考虑 23
15、倍安全裕2M量，续流二极管的额定电压为 VMTN 936231232-2 具有变压器中心抽头的单相双半波可控整流电路如图 2-44 所示，问该变压器是否存在直流磁化问题。试说明晶闸管承受的最大反向电压是多少？当负载是电阻或者电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时是否相同。解：因为单相双半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。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：（1） 以晶闸管 为例。当 导通时，晶闸管 通过 与2个变压器二次绕组并联，2VT12VT1所以 承受的最大电压为 。2
16、 2U（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：（ ）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 、 导通，输出电压均与电源电压 相等；( )期间，均1VT4 2u无晶闸管导通，输出电压为0；( )期间，单相全波电路中 导通，单相全控桥22VT电路中 、 导通，输出电压等于 。23u6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 、 导通，输出 1VT4电压均与电源电压 相等；（ ）期间，单相全波电路中 导通，单相全2u22控桥电路中 、 导通，输出波形等于 。VT3u可见，两者的输出电
17、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，电阻性负载， ， ， ，试计算VU202LR30 输出电压 和输出电流 ；dUdI 晶闸管额定电压和额定电流。解：（1）输出电压平均值为： Vd 7.184230cos19.02cos19.0 输出电流为： ARUILd35.927.184（2）晶闸管承受的最大反向电压为电源电压的峰值 ，考虑 23 倍的安全裕量，2晶闸管的额定电压为 VUMTN93632晶闸管流过的电流为负载电流的一半， ARIT724sin2考虑 1.52 倍的安全裕量，晶闸管的额定电流为： IITAVT96357.1).()( 2-4 单相桥式全
18、控整流电路， ，负载中 ，L 值极大，反电势U02 2RE=60V，当 =30时，求：（1）画出 和 的波形；diu,2（2）整流输出平均电压 、电流 及变压器二次侧电流有效值 ；ddI 2I（3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。7解：(1) 和 的波形如下图：,diu2（2）输出平均电压 ，电流 ，变压器二次电流有效值 分别为dUdI 2IVd 97.30cos19.0cos9.02 AREId.8267Id9.2（3）晶闸管承受的最大反向电压为： )(4.102AU考虑 23 倍的安全裕量，晶闸管的额定电压为： )(283.)3( VTN流过晶闸管的电流有效值为： )(4.6
19、2IdAT考虑 1.52 倍的安全裕量，晶闸管的额定电流为： )(08.5.1/3)5.1(IAT 82-5 单相桥式全控整流电路接电阻性负载，要求输出电压 0100V 连续可调，30V 以上要求负载电流达到 20A。采用由 220V 变压器降压供电，最小控制角 .试求：30min（1）交流侧电流有效值；（2）选择晶闸管电压、电流定额。解：（1）交流侧输出电压有效值为：=21sindUtd21cos0.9U=30，此时输出电压最大，代入上式得到：min123cos9.02cos9.0d得， =119V2U=30100V 变化时， 20A，由于在 30V 时，导通角小，因此此时的电流有效ddI值
20、最大，此时 R=1.5 ，触发角为302cos19.02cos19.0d6交流侧电流有效值为： ARUI 382sin12（2）晶闸管承受的最大正反向电压的最大值为 ，考虑 23 倍的安全裕量，晶闸管电2U压定额为： VUTN )48.()32(2晶闸管电流是输出电流的二分之一，考虑 1.52 倍的安全裕量，则晶闸管的额定电流为： AIIITAVT 342657.1).(57.1)2.()( 2-6 在单相桥式全控整流电路中，若有一晶闸管因为过流烧毁断路，画出此时输出电压波形。如果有一晶闸管因为过流烧成短路，结果又会怎样？解：假设 因为过流烧毁断路，则整流电压 ud 波形与单相半波整流电路的波
21、形一样，1VT相位差 180 度。9假设 因过流而短路，则当晶闸管 导通时，将发生电源相间短路，使得 也1VT2VT2VT可能因为过流而烧毁。如果 因为过流烧毁断路，则整流电压 ud 波形如上图所示，相位2差 180 度；如果 因为过流烧毁而短路，则会引起变压器和电源过流。22-7 单相桥式全控整流电路中给电阻性负载供电和给反电势负载蓄电池供电，在流过负载电流平均值相同的情况下，哪一种负载的晶闸管额定电流应选得大一些？为什么？答：反电势负载蓄电池时晶闸管额定电流应该大一些。因为在反电动势负载时，晶闸管导通角变小，波形系数变大，负载电流平均值相同的情况下，有效值电流变大，故要求晶闸管的额定电流比
22、较大。2-8 三相半波整流电路中，如果 U 相电压消失，试画出在电阻性负载与电感性负载下的整流电压波形解 假设 =0，当负载为电阻时， 的波形如下：d当负载为电感时， 的波形如下：dU102-9 三相半波可控整流电路，电阻性负载。已知 ，当 =90时，20,2LRVU试计算 并画出 波形。dIU, dTui,1解：由输出电压平均值的关系式可求得： Vd 25.746cos120675.cos675.02 输出电流平均值为： ARUILd.3.42-10 三相半波整流电路，已知 ，大电感负载，当 =45时，试计50,12V算 并画出 波形。如果在负载端并接续流二极管，试计算流过晶闸管的电流dIU, dTui,1平均值 、有效值 和续流二极管的电流平均值 、有效值 。I dDRIDRI解：由输出电压平均值的关系式可求得： VUd 9145cos107.cos17.2 输出电流平均值为： ARILd82.9并接续流二极管时，输出电压平均值为: VUd 47.93)6cos(1675.02输出电流平均值为： ARILd.85.04793晶闸管的电流平均值为： IIddT 5.4213有效值为： AIIdT 96.0续流二极管的电流平均值为： IIddDR37.21
