电力电子技术-第五版-王兆安-课后习题全解

电力电子技术课后习题全解(个人整理)第5版王兆安刘进军主编机械工业出版社第二章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)Id1=I1=b)Id2=I2=c)Id3=I3=2-5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)Im1A,Id10.2717Im189.48Ab)Im2Id2c)Im3=2I=314Id3=Im2717.0)122(2Im)(sinIm214tIm4767.021432Im)()sin(Im2142wtdtIm5434.0)122(2Im)(sinIm14wtdtIm6741.021432Im2)()sin(Im142wtdt20Im41)(Im21tdIm21)(Im21202td35.3294767.0I,90.2326741.0AIAIm56.1265434.025.78413mI2-6GTO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和，由普通晶阐管的分析可得，是器件临界导通的条件。体管过饱和而导通；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在设计时较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断；2)GTO导通时的更接近于l，普通晶闸管，而GTO则为，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。2-7与信息电子电路中的MOSFET相比，电力MOSFET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.目前大多电力MOSFET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MOSFET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12121121＞121＜2215.12105.121杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。2-8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，ⅠGBT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小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。2-9试列举典型的宽禁带半导体材料。基于这些宽禁带半导体材料的电力电子器件在哪些方面性能优于硅器件？答：典型的宽禁带半导体材料有：碳化硅氮化镓金刚石等材料。性能方面，具有更高的耐受高压的能力，低的多的通态电阻，更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力。2-10试分析电力电子集成技术可以带来哪些益处，功率集成电路与集成电力电子模块实现集成的思路有何不同？答：1、可以缩小装置体积，降低成本，提高可靠性，更重要的是对工作频率较高的电路，还可以大大减小线路电感，从而简化对保护金额缓冲电路的要求。2、将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，则称为功率集成电路（PIC）。若是将电力电子器件与其控制、驱动、保护等所有信息电子电路封装在一起则称为集成电力电子模块。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（GTO）,电力晶闸管(GTR)，电力场效应晶体管(MOSFET)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)。第三章3-1.单相半波可控整流电路对电感负载供电，L＝20mH，U2＝100V，求当α＝0和60时的负载电流Id，并画出ud与id波形。解：α＝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sin2dd2d考虑到初始条件：当t＝0时id＝0可解方程得：)cos1(22dtLUi202d)(d)cos1(221ttLUI=LU22=22.51(A)ud与id的波形如下图：02tu202t02tud02tid当α＝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：tUtiLsin2dd2d考虑初始条件：当t＝60时id＝0可解方程得：)cos21(22dtLUi其平均值为)(d)cos21(2213532dttLUI=LU222=11.25(A)此时ud与id的波形如下图：tudid++ttu20++3-2．图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：①晶闸管承受的最大反向电压为222U；②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。①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222U。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：（0~α）期间无晶闸管导通，输出电压为0；（α~π）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；(π~π＋α)期间，均无晶闸管导通，输出电压为0；(π＋α~2π)期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出电压等于u2。对于电感负载：（α~π＋α）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；（π＋α~2π＋α）期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，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R＝2Ω，L值极大，当α＝30°时，要求：①作出ud、id、和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①ud、id、和i2的波形如下图：u2OtOtOtudidi2OtIdId②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＝0.9U2cosα＝0.9×100×cos30°＝77.97（V）Id＝Ud/R＝77.97/2＝38.99（A）I2＝Id＝38.99（A）③晶闸管承受的最大反向电压为：2U2＝1002＝141.4（V）考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：UN＝（2~3）×141.4＝283~424（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＝（1.5~2）×27.57∕1.57＝26~35（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的电压波形如下：02tttu2uVD2uVD4003-5．单相桥式全控整流电路，U2=200V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当=45时，要求：作出ud、id和i2的波形；①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；②考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①ud、id和i2的波形如下图：u2OtOtOtudidi2OtIdIdId③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＝0.9U2cosα＝0.9×200×cos45°＝127.3(A)Id＝(Ud－E)/R＝(127.3－60)/2＝33.65(A)I2＝Id＝33.65(A)④闸管承受的最大反向电压为：2U2＝2002＝282.8（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVT＝Id∕2＝238.6（A）故晶闸管的额定电压为：UN＝(2~3)×282.8＝566~848（V）晶闸管的额定电流为：IN＝(1.5~2)×23.86∕1.57＝22.8~30.14（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=2Ω，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：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/cos(19.0)(dsin21232d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＝31Id＝19.49（A）流过二极管VD3、VD4的电流有效值为：IVD＝32Id＝27.56（A）3-7.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0，当负载为电阻时，u