1、上传者：杨壮彬1第 2 章 思 考 题 与 习 题2.1 晶闸 管 的导 通 条 件是什 么 ? 导 通后 流 过 晶闸管 的 电 流和负 载 上 的电压 由 什 么决定 ?答： 晶闸管的导通条件是： 晶闸管阳极和阳极间施加正向电压， 并在门极和阳极间施加 正向触发电压和电流（或脉冲） 。导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压U A决定。2.2 晶闸 管 的关 断 条 件是什 么 ? 如 何实 现 ? 晶 闸管 处 于 阻断状 态 时 其两端 的 电 压大小 由 什 么 决定 ?答： 晶闸管的关断条件是： 要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态， 可采用阳极电 压反向使
2、阳极电流IA减小 ， IA下降到维持电流I H以下时， 晶闸管内部建立的正反馈无法进行 。 进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压U A决 定。2.3 温 度 升高时 ， 晶 闸 管的 触 发 电流、 正 反 向 漏电 流 、 维 持电 流 以 及正向 转 折 电压和 反 向 击 穿 电压如何 变 化？答： 温度升高时， 晶闸管的触发电流随温度升高而减小， 正反向漏电流随温度升高而增 大，维持电流I H会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。2.4 晶 闸 管的非 正 常 导通方 式 有 哪几种 ？答： 非正常导通方式有： (1) Ig=0， 阳极电压升高至相当高的数值；
3、(1) 阳极电压上升率du/dt过高；( 3) 结温过高 。2.5 请 简 述晶闸 管 的 关断时 间 定 义。 答： 晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即 tq = trr + t gr 。2.6 试 说 明晶闸 管 有 哪些派 生 器 件？ 答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。2.7 请 简 述光控 晶 闸 管的有 关 特 征。 答： 光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下， 光电二极管电流增加， 此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。 主要用于高压大功率场合。2.8 型 号 为 KP100-3，
4、维 持电 流 IH=4mA的 晶 闸 管， 使用 在 图 题 1.8 所 示 电 路中是 否 合 理 ， 为 什 么 ?(暂不 考虑 电压电 流 裕 量 )图题 1.8答： （a） 因 为I A =100V50K = 2mA I H ，所以不合理。I A(b) 因为了。= 200V10 = 20 A , KP100 的电流 额定值为 100，裕量达 倍，太大I A（c）因为= 150V1 = 150 A ，大于额定值，所以不合理。2.9 图 题 1.9 中 实 线 部分表 示 流 过晶闸 管 的 电流波 形 ， 其最大 值 均 为 Im， 试 计 算各图 的 电 流 平 均值 电上传者：杨壮彬
5、2T(AVm m3流 有效值 和 波 形系数 。1 I解：图(a)： I )= 2 0sin td (t ) I m= 1 2 I mIT= 2 0 ( I m sin t )I Td (t )= 2Kf= I T ( AV ) =1.571图(b)： IT(AV)= 图题 1 90 I m sin td (t )2= Im1 2 I mIT= 0 (I m sin t )I Td (t )= 2Kf= I T ( AV )1 =1.113T= ( I m sin t )3I T(t )= Im+3 8 0.63I mKf= I T ( AV ) =1.261 I sin td (t ) 3图
6、(d)： IT(AV)= 2 31 = 4 Im2 1 3IT= 2 ( I m sin t )I Td (t )= Im+6 6 0.52I mKf= I T ( AV ) 1图(e)： IT(AV)= 2上传者：杨壮彬34m m=1.78 I m0 I m d (t) = 81 4 I 2 d (t ) I mIT= 2 0I T= 2 2Kf= I T ( AV )1=2.83 I m图(f)： IT(AV)= 2上传者：杨壮彬42 I d (t)= 40上传者：杨壮彬5， 如 不考 虑安 全 裕 量， 问 额 定 电流 100A 的 晶闸管 允 许 流过 的 平 均 电流分 别 是 多
7、 少 ?解：(a)图波形系数为 1.57，则有： 1.57 IT ( AV ) =1.57 100A , IT(AV) = 100 A (b)图波形系数为 1.11， 则有： 1 .11 IT ( AV ) =1.57 100A , IT(AV)=141.4A (c)图波形系数为 1.26， 则有： 1 .26 IT ( AV ) =1.57 100A , IT(AV)=124.6A (d)图波形系数为 1.78， 则有： 1 .78 IT ( AV ) =1.57 100A , IT(AV)=88.2A (e)图波形系数为 2.83， 则有： 2 .83 IT ( AV ) =1.57 10
8、0A, IT(AV)=55.5A (f)图波形系 数为 2，则有 ： 2 IT ( AV ) =1.57 100A , IT(AV)=78.5A2.11 某 晶 闸管 型 号 规格为 KP200-8D， 试 问 型号规 格 代 表什么 意 义 ?解：KP代表 普通型晶闸管， 200 代 表其晶闸管的额定电流为 200A，8 代表晶闸管的正反向峰值电压为 800V，D代表通态平均压降为 0.6V U T 0.7V 。2.12 如图题 1.12 所 示， 试 画 出负载 Rd上 的 电压 波 形 (不 考虑 管 子 的导通 压 降 )。解：其波形如下图所示：图题 1.122.13 在 图题 1.1
9、3 中 ， 若 要使 用 单 次脉冲 触 发 晶闸管 T导 通， 门极 触 发 信号 （ 触 发电 压为脉 冲 ） 的宽度 最 小 应为多 少 微 秒（设 晶 闸 管的擎 住 电 流 IL=15mA）？图 题 1.13上传者：杨壮彬6解：由题意可得晶闸管导通时的回路方程：L di A + Ri = Edt A可解得 i A =E t(1 e )RL， = R =1要维维持持晶闸管导通， i A (t ) 必须在擎住电流I L以上 ，即50 (1 e t ) 15 1030.5t 150 10 6 = 150s ， 所以脉 冲宽度必须大于 150s。2.14 单 相 正弦 交 流 电源， 晶 闸
10、 管和负 载 电阻串联 如 图 题 1.14 所 示 ， 交流电 源 电 压有效 值为 220V。(1)考 虑 安全 余 量 ，应如 何 选取晶闸 管的 额定电压 ？(2)若 当 电流 的 波 形系数 为 Kf=2.22 时 ， 通 过晶 闸管 的 有 效电流 为 100A， 考 虑 晶 闸管的 安 全 余量，应 如 何 选择 晶 闸 管 的额定 电 流 ？解：（1 ）考 虑安全余量, 取实际工作电压的 2 倍UT=220 2 2 622V, 取6 00V（2 ）因为K f=2.22, 取两 倍的裕量，则：2IT(AV) 2.22 100 A得： IT(AV)=111(A) 取 100A。图题
11、1.142.15什么叫GTR的一次击穿 ?什么叫GTR的二次击穿 ?答 ：处 于工 作状 态的GTR，当其集电极反偏电压UCE渐增大电压定额BUCEO时 ，集电极电流IC急剧增大（雪崩击穿），但此时集电极的电压基本保持不变，这叫一次击穿。发生一次击穿时，如果继续增大UCE，又不限制IC，I C上升到临界值时，UCE突然下降， 而I C继续增大（负载效应，这个现象称为二次击穿。2.16 怎 样确定 GTR 的 安全 工作 区 SOA?答 ：安 全 工作 区 是指 在 输出 特 性 曲 线 图 上 GTR能 够 安 全 运 行 的 电 流 、电 压 的 极 限 范 围 。 按基极偏量分类可分为：
12、正偏安全工作区FBSOA和 反偏安全工作区RBSOA。 正偏工作区又叫开 通工作区，它是基极正向偏量条件下由GTR的最 大允许集电极功耗P CM以及二次击穿功率P SB， ICM， BUCEO四 条 限 制 线 所 围 成 的 区 域 。 反 偏安 全 工 作 区 又 称 为 GTR的 关 断 安 全 工 作 区 ，它 表 示 在反向偏置状态下GTR关 断过程中电压U CE，电流I C限制界线所围成的区域。2.17GTR对基极驱动电路的要求是什么 ？答：要求如下：上传者：杨壮彬7（1 ）提供合 适的正反向基流以保证 GTR 可靠导通与关断，（2 ）实现主 电路与控制电路隔离，（3 ）自动保 护
13、功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号避免损坏 GTR。（4）电路尽 可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。2.18 在 大功率 GTR 组 成的 开 关 电路中 为 什 么要加 缓 冲 电路 ?答 ： 缓 冲 电 路 可 以 使 GTR在 开 通 中 的 集 电 极 电流 缓 升 ， 关 断 中 的 集 电 极 电 压 缓 升 ， 避 免 du了GTR同时承 受高电压、 大电流。 另一方面， 缓冲电路也可以使GTR的集 电极电压变化率 dt和集电极电流变化率 dt 得到有效值抑制， 减小开关损耗和防止高压击穿和硅片局部过热熔 通而损坏GTR。2.19 与 GTR 相 比 功 率 MOS
14、管 有 何 优缺 点 ?答：GTR 是电流型器件，功率 MOS 是电压型器件，与 GTR 相比，功率 MOS 管的工 作速度快， 开关频率高， 驱动功率小且驱动电路简单， 无二次击穿问题， 安全工作区宽， 并 且输入阻抗可达几十兆欧。但功率 MOS的缺点有：电流容量低，承受反向电压小。2.20 从 结构上 讲 ， 功率 MOS 管 与 VDMOS 管 有 何 区 别 ?答： 功率MOS采用水平结构， 器件的源极S， 栅极G和漏极D均 被置于硅片的一侧， 通态电 阻大，性能差， 硅片利用率低。 VDMOS采用二次 扩散形式的P形区的N +型区在硅片表面的结深 之差来形成极短的、 可精确控制的沟道
15、长度 （13 m 、 制成垂直导电结构可以直接装漏极、 电流容量大、集成度高。2.21 试 说明 VDMOS 的 安 全 工 作区。 答 ：VDMOS的 安 全 工 作 区 分 为 ： （ 1） 正 向 偏 置 安 全工 作 区 ， 由 漏 电 源 通 态 电 阻 限 制 线 ，最大漏极电流限制线，最大功耗限制线，最大漏源电压限制线构成。 （ 2）开关安全 工作区： 由最大峰值漏极电流I CM，最大漏源击穿电压BU DS最高结温I JM所决定。 （3）换向安全工作区：di换向速度 dt 一定时，由漏极正向电压U DS和二极管的正向电流的安全运行极限值I FM决定。2.22试简述功率场效应管在应
16、用中的注意事项。答：（1）过电流保护，（2）过电压保护，（3）过热保护，（4）防静电。2.23与GTR、VDMOS相比 ，IGBT管有何特点 ?答：IGBT的开关速度快，其开关时间是同容量GTR的 1/10， IGBT电流容量 大，是同容量 MOS的 10 倍 ；与VDMOS、GTR相比，IGBT的耐压可以做得很高，最大允许电压UCEM可达 4500V， IGBT的最高 允许结温TJM为 150，而 且IGBT的通 态压降在室温和最高结温之间变化很小，具 有良好的温度特性；通态压降是同一耐压规格VDMOS的1/10，输入阻抗与MOS同。2.24 下 表 给出 了 1200V 和 不 同 等级电
17、流 容 量 IGBT 管 的 栅极电 阻 推 荐值。试 说 明为 什么 随 着 电流容 量 的 增大， 栅 极 电阻值 相 应减小？电 流 容量 A 25 50 75 100 150 200 300栅 极 电阻 50 25 15 12 8.2 5 3.3答： 对一定值的集电极电流， 栅极电阻增大栅极电路的时间常数相应增大， 关断时栅压下降到关断门限电压的时间变长， 于是 IGBT 的关断损耗增大。 因此 ， 随着电流容量的增大 ， 为了减小关断损耗， 栅极电阻值相应减小。 应当注意的是， 太小的栅极电阻会使关断过程电 压变化加剧，在损耗允许的情况下，栅极电阻不使用宜太小。2.25 在 SCR、
18、 GTR、 IGBT、 GTO、 MOSFET、 IGCT 及 MCT 器 件 中， 哪 些 器 件可以 承受 反 向电压 ？ 哪 些可以 用 作 静态交 流 开 关？答：SCR、GTR、IGBT、GT O、MCT 都可承受反向电压。SCR 可以用作 静态开关。2.26 试 说明有 关 功 率 MOSFET 驱 动电路 的 特点。答： 功率 MOSFET 驱动电路的特点是：输入阻抗高， 所需驱动功率小， 驱动电路简单， 工作频率高。2.27 试 述静电 感 应 晶体管 SIT 的 结构特 点 。 答 ： SIT采 用 垂 直 导 电 结 构 ，沟 道 短 而 宽 ， 适 合 于 高 电 压 ，
19、 大 电 流的 场 合 ， 其 漏 极 电 流具有负温度系数， 可避免因温度升高而引起的恶性循环漏极电流通路上不存在PN结，一般不 会 发 生 热 不 稳 定 性 和 二 次 击 穿 现象 ， 其 安 全 工 作 区 范 围 较 宽 ,关 断 它 需加 10V的 负 栅 极 偏 压U GS ,使其导 通，可以加 56V的正栅偏 压+U GS，以降低器件的通态压降。2.28 试 述静电 感 应 晶闸管 SITH 的结构 特 点。 答： 其结构在SIT的结构上上传者：杨壮彬8再增加一个P +层形成了无胞结构。 SITH的电导调制作用使它 比SIT的通态电阻小，通态 压降低，通 态电流大，但因器件内
20、 有大量的存 储电荷，其 关断时间 比SIT要慢， 工作频率低。2.29 试述 MOS 控 制 晶 闸管 MCT 的 特点 和 使用范围 。答：MCT 具有 高电压，大电流，高载流密度，低通态压的特点，其通态压降只有 的左右， 硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的， 另外， 可承受 极高的 di/dt 和 du/dt。 使得其保护电路简化， 的开关速度超过， 且开关损耗 也小。2.30 缓 冲电路 的 作 用是什 么 ？ 关断缓 冲 与开通缓 冲 在 电路 形 式 上 有何区 别 ， 各自 的 功 能 是 什 么 ？答： 缓冲电路的作用是抑制电力电子器件的内因过电压 du/dt 或者
21、过电 流 di/dt,减 少器 件的开关损耗。 缓冲电路分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。 关断缓冲电路是对 du/dt 抑制 的电路， 用于抑制器件的关断过电压和换相过电压， 抑制 du/dt， 减小 关断损耗 。 开通缓冲 电路是对 di/dt 抑制的 电 路， 用于抑制器件开通时的电流过冲和 di/dt， 减小器件的开通损耗。第 4 章 思 考 题 与习 题4.1 什 么 是电压 型 和 电流型 逆 变 电路？ 各有 何特点 ？ 答： 按照逆变电路直流侧电源性质分类， 直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。电压型逆变电路的主要特点是：（1）
22、直 流侧 为电 压源 ，或 并联 有大 电容 ，相 当于 电压 源 。直 流电 压基 本无 脉动 ，直 流 回路呈现低阻抗。（2） 由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关， 而 交流 侧输 出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同 ，其波形接近于三角波或正弦波。（3）当交流侧为阻感性负载时，需提供无功功率， 直流侧电容起缓冲无功能量的作用， 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了二极管。（4） 逆 变电 路 从直 流 侧向 交 流侧 传 送的 功 率是 脉 动的 ， 因直 流 电压 无 脉动 ， 故功 率 的 脉动是由交流电压来提供。（
23、5） 当用于交直交变频器中， 负载为电动机时， 如果电动机工作在再生制动状态， 就必须向交流电源反馈能量。 因直流侧电压方向不能改变， 所以只能靠改变直流电流的方向 来实现，这就需要给交直整流桥再反并联一套逆变桥。电流型逆变电路的主要特点是：（1 ） 直流侧串联 有大电感， 相当于电流 源，直流电 流基本无脉动，直流回 路呈现 高 阻抗。（2 ） 因 为 各 开 关 器 件 主 要 起 改 变 直流 电 流 流 通 路 径 的 作 用 ， 故 交 流 侧 电 流为 矩 形 波 ， 与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。（3 ） 直 流 侧 电 感 起 缓 冲 无 功
24、能 量 的作 用 ， 因 电 流 不 能 反 向 ， 故 可 控 器 件 不必 反 并 联 二 极管。（4 ） 当 用 于 交 直 交 变 频 器 且 负载 为 电 动 机 时 ， 若 交 直 变 换 为 可 控 整流 ， 则 很 方 便地实现再生制动。4.2 电 压 型逆变 电 路 中的反 馈 二 极管的 作 用 是什么 ？答： 在电压型逆变电路中， 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率， 直流侧电容起缓冲无功能量的作用。 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道， 逆变桥各臂都并联了 反馈二极管。 当输出交流电压与电流的极性相同时， 电流经电路中的可控开关器件流通， 而 当输出电压与电流
25、极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。4.3 为 什 么在电 流 型 逆变电 路 的 可控器 件 上 要串 联 二 极 管？ 解： 由于全电路开关管采用自关断器件， 其反向不能承受高电压， 所以需要在各开关器件支路串入二极管。上传者：杨壮彬94.4 三 相 桥式电 压 型 逆变电 路 采 用 180导电 方式， 当 其 直流侧 电 压 Ud=100V时 。（ ） 求 输 出 相电压 基 波 幅值和 有 效 值（ ） 求 输 出 线电压 基 波 幅值和 有 效 值（ ） 输出线 电 压 中五欢 谐 波 的有效 值 。解：输出相电压基波幅值U AN 1m =2U d = 0.637U d = 0.
26、637 100 = 63.7V输出相电压基波有效值U AN1 =U AN1m2 = 0.45U d = 0.45 100 = 45V输出线电压基波幅值2U AB1m =3U d = 23 100 1.1100 = 110V输出线电压基波有效值U ABm =U AB1m =26U d =6 100 = 78Vu = 2 3U d ( 1 sin 5t )输出线电压中 5 次谐 波输出线电压中 5 次谐波 有效值AB 52U AB 5 = 53U d25= 15.59V4.5 全 控 型器件 组 成 的电压 型 三 相桥式 逆 变 电路能 否 构 成 120o 导电 型 ？ 为什么 ？解：全控型器
27、件组成的电压型三相桥式逆变电路能构成 1200 导电型。1200 600由 于 三 相 桥 式 逆 变 电 路 每 个 桥 臂 导 通 ， 同 一 相 上 下 两 臂 的 导 通 有 间 隔 ， 各 相1200 1200上传者：杨壮彬10导通依次相差 ， 且不存在上下直通的问题， 所以其能构成 导电型。 但当直流电压一定时，其输出交流线电压有效值比 1 80导 电型低得多，直流电源电压利用率低。4.6 并 联 谐振型 逆 变 电路利 用 负 载电压 进 行 换流 ， 为 了 保 证换流 成 功 应满足 什 么 条件 ？ 答： 为了保证电路可靠换流， 必须在输出电压 u0过零前t 时刻触发T 2
28、、 T3， 称t 为触发引前时间。为了安全起见，必须使 t f= tr + ktq中 k 为大 于 1 的安全 系数，一般取为 23。4.7 试 说 明 PWM 控 制 的工 作 原 理。答：将一个任意波电压分成 N 等份，并把该任意波曲线每一等份所包围的面积都用一 个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应任意波等份的中点重合， 得到一系列脉冲列。 这就是 PWM 波形。 但在实际应用中， 人们采用任意波与等到腰三角形 相交的方法来确定各矩形脉冲的宽度。PWM 控制就是利用 PWM 脉冲对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一 系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉
29、冲来代替所需要的波形。4.8 单 极 性和双 极 性 PWM 调 制 有 什么 区 别 ？解： 单极性控制方式在调制信号 U r 的正半个周期或负半个周期内， 三角波载波 是单极性输出的，所得的波也是单极性范围内变化的。而双极性控制方式中， 三角波载波始终是有正有负，而输出的波是双极性的。4.9 试 说 明 PWM 控 制 的逆 变 电 路有何 优 点 ？ 答：PWM 电路优点如下：（1 ）可以得 到所需波形的输出电压，满足负载需要；（2 ）整流电 路采用二极管整流，可获得较高的功率因数；（3 ）只用一 级可控的功率环节，电路结构简单；（4 ）通过对 输出脉冲的 宽度控制就 可以改变输 出电压的大 小，大大的 加快了逆变 器 的 响应速度。4.10 图题 4.10 所示的 全 桥 逆变电 路 ， 如负载 为 RLC串 联 ， R 10， L 31.8 mH，C=159 F， 逆 变 器频率 f 100 HZ， Ud 110 V、 求 ：（ 1） 基波 电流 的 有 效值；（ 2） 负载 电流 的 谐 波系数 。图 题 4.102U O1 =解： （1 ）基 波电压的有效值为：2U d = 0.9U d = 0.9 110 = 99V基波时的负载阻抗：Z1 =R 2 + (L 1 ) 2C
