电力电子完整习题答案

第1章习题3．把一个晶闸管与灯泡串联，加上交流电压，如图1-37所示图1-37问：（1）开关S闭合前灯泡亮不亮？（2）开关S闭合后灯泡亮不亮？（3）开关S闭合一段时间后再打开，断开开关后灯泡亮不亮？原因是什么？答：（1）不亮；（2）亮；（3）不亮，出现电压负半周后晶闸管关断。1）开关S闭合前，灯泡不亮；因为晶闸管门极没有正向门极电压，故晶闸管不能导通。2）开关S闭合后灯泡亮；因为此时晶闸管门极加上了正向电压，而U2为交流电源，故只有当晶闸管阳极承受正向电压时，晶闸管才导通，当晶闸管阳极电压为负时，不导通；但在电源为工频交流的情况下，灯泡表现为始终亮。3）开关S闭合一段时间后，再打开，灯泡不亮；因为当晶闸管阳极电压为负时，即使有正向的门极电压，也会使晶闸管很快关断（晶闸管关断时间只有约40us）；打开S后，即使晶闸管阳极承受正向电压，但因为门极没有正向电压，故晶闸管也不导通。4．在夏天工作正常的晶闸管装置到冬天变得不可靠，可能是什么现象和原因？冬天工作正常到夏天变得不可靠又可能是什么现象和原因？答：晶闸管的门极参数IGT、UGT受温度影响，温度升高时，两者会降低，温度升高时，两者会升高，故会引起题中所述现象。夏天工作正常、冬天工作不正常的原因可能是电路提供的触发电流偏小，夏天勉强能触发，到冬天则就不能满足对触发电流的要求了。冬天正常、夏天不正常的原因可能是晶闸管的维持电流小，冬天勉强能关断，到夏天不容易关断；或者，因所选用的晶闸管电压偏低，到夏天管子转折电压与击穿电压值下降，而造成硬开通或击穿。5．型号为KP100-3，维持电流IH＝4mA的晶闸管，使用在如图1-38电路中是否合理？为什么？（分析时不考虑电压、电流裕量）(a)(b)(c)图1-38习题5图答：（1）故不能维持导通mAImAAIHd42002.010501003===×=RTMUVU==3112220（2）而故不能正常工作（3）Id=150/1=150AIHIT=Id=150A1.57×100=157A故能正常工作16．说明GTO的关断原理。答：普通晶闸管在导通之后即外于深度饱和状态，而GTO在导通后只能达到临界饱和，所以GTO门极上加负向触发信号即可关断。17．描述GTR的二次击穿特性。答：GTR的集电极电压升高至前面所述的击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要Ic不超过与最大允许耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如果不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击穿。二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而对GTR危害极大。21．IGBT有哪些突出优点？答：IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身，既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型，又具有通态压降低、高电压、大电流的优点。22．什么是IGBT的擎住现象？使用中如何避免？答：IGBT由于寄生晶闸管的影响，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），也可能是duce/dt过大（动态擎住效应），会产生不可控的擎住效应。实际应用中应使IGBT的漏极电流不超过额定电流，或增加控制极上所接电阻RG的数值，减小关断时的duce/dt，以避免出现擎住现象。HdIAIII====9.957.1/...56.1521022022第2章习题7．三相全控桥采用带滤波器的正弦波触发器，滤波滞后60º，同步环节的晶体管采用NPN型硅管，主变压器连接组为△/Ｙ-5，同步变压器的连接组为△/Ｙ-3和△/Ｙ-9，试求各元件触发电路的同步电压，并列表表示。答：正弦波NPN管滞后o120，滤波已有o60，故应选滞后o&60aU时信号作为aU&的同步信号，即TbU&。以下类推T1T2T3T4T5T6Ua--UcUb--UaUc--UbUTb--UTaUTc--UTbUTa--UTc即：△/Y-3同步变压器时，UTbUTcUTa分接UaUb-Uc△/Y-3同步变压器时，-UTb-UTc-UTa分接-Ua-Ub--Uc△/Y-3元件VT1VT2VT3VT4VT5VT6阳极电压UaU（-c）UbU（-a）UcU（-b）同步电压UTbUT（-a）UTcUT（-b）UTaUT（-c）△/Y-9元件VT1VT2VT3VT4VT5VT6阳极电压UaU（-c）UbU（-a）UcU（-b）同步电压UT（-b）UTaUT（-c）UTbUT（-a）UTc9．图2-18中的锯齿波同步移相触发电路的同步环节采用PNP晶体管，RC滤波网络的移相角为60º，求：1）同步信号电uTa与对应的晶闸管阳极电压ua的相位关系。2）确定同步变压器的连接组，同时列出晶闸管阳极电压和同步信号电压的对应关系表。答：(1)PNP管UaUTa同相位(2)主变为△/Y-5故BT也选为△/Y-5。考虑到滤波电路滞后60°，因此UTab滞后UAB90°，因此同步变压器连接组号为△/Y-3元件VT1VT2VT3VT4VT5VT6阳极电压UaU（-c）UbU（-a）UcU（-b）同步电压UTaUT（-c）UTbUT（-a）UTcUT（-b）10．三相全控桥的主回路直接由三相电源经进线电抗器直接连到晶闸管（可认为连接组为Y/Ｙ-12），同步变压器为△/Ｙ-1，△/Ｙ-7连接组。触发器采用正弦波同步移相触发电路，其中同步环节采用NPN晶体管，RC滤波，滤波后相位滞后30º，变流器要求能整流与逆变运行，试选择同步信号电压。分析时可忽略进线电抗器的相移。（本来没答案）答：如下图，为△/Ｙ-1相量图△/Ｙ-1元件VT1VT2VT3VT4VT5VT6阳极电压UaU（-c）UbU（-a）UcU（-b）同步电压UT（-c）UTbUT（-a）UTcUT（-c）UTa△/Ｙ-7相量图△/Ｙ-7元件VT1VT2VT3VT4VT5VT6阳极电压UaU（-c）UbU（-a）UcU（-b）同步电压UTcUT(-c)UTbUT(-a)UTaUT(-b)11．在上题中，主回路和同步变压器都不变，将触发器改为同步环节采用NPN晶体管的锯齿波同步移相触发电路。试选择同步信号电压。此时是否要加RC滤波环节，如要加，则它移相多少度？（本来没答案）答：若不加滤波环节，则△/Ｙ-1元件VT1VT2VT3VT4VT5VT6阳极电压UaU（-c）UbU（-a）UcU（-b）同步电压UT（-ab）UTcaUT（-bc）UTabUT（-ca）UTbc△/Ｙ-7元件VT1VT2VT3VT4VT5VT6阳极电压UaU（-c）UbU（-a）UcU（-b）同步电压UTabUT(-ca)UTbcUT(-ab)UTcaUT(-bc)若加滤波环节，取滞后30°△/Ｙ-1UAB/UabUa/UTabUTaUTcUT(-c)UAB/Uab/UTbUa/UTabUTaUTaUTabUTc元件VT1VT2VT3VT4VT5VT6阳极电压UaU（-c）UbU（-a）UcU（-b）同步电压UTbUT（-a）UTcUT（-b）UTaUT（-c）△/Ｙ-7元件VT1VT2VT3VT4VT5VT6阳极电压UaU（-c）UbU（-a）UcU（-b）同步电压UTaUT(-c)UTbUT(-a)UTcUT(-b)14．出图2-57中①～⑨各保护元件及VDF、Ｌd的名称及作用。（LJ为过流继电器）图2-57三相桥式整流电路的保护答：（1）交流进线电抗器限流、限du/dt和di/dt（2）压敏电阻过压保护（3）交流侧阻容保护过压保护（4）桥臂电感限du/dt(由元件换流引起）、di/dt（5）快熔过流保护（6）过压保护电容限制关断过电压对元件的损害（7）抑振电阻防止L、C振荡，限制电容放电电流（8）直流侧压敏电阻直流侧过压保护（9）过流继电器过流时，继电器开路，保护主电路（10）VDF续流二极管为负载电路提供通路，过压保护（11）Ld平波电抗器防止直流电流波动（断流）19．试说明绝缘栅双极型晶体管驱动电路与大功率晶体管及功率场效应晶体管驱动电路的异同点。答：功率MOSFET属于电压型控制器件，只要栅极和源极之间施加的电压超过其阀值电压就会导通。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它也是一种压控型器件。而大功率晶体管则是电流控制器件，对基极的驱动电流有一定的要求。不同：1.GTR为电流型控制器件，因此驱动电路的电流要足够大，MOSFET以及IGBT是电压型控制器件，只要只要栅极和源极之间施加的电压超过其阀值电压就会导通。2.MOSFET及IGBT的输入阻抗大，故驱动电路结构简单，驱动功率较小，GTR的驱动电路相对复杂，需要驱动功率大。相同：1.一般驱动电路与逻辑电路、控制电路在电气上实现隔离。2.基极驱动电路应有一定的保护功能。20．GTR、P-MOSFET、IGBT使用中，电流定额选择中各要注意什么？答：GTR有二次击穿现象以及其安全工作区受各项参数影响而变化和热容量小、过流能力低等问题。功率MOSFFT是一种电压驱动器件，基本上不要求稳定的驱动电流，驱动电路只需要在器件开通时提供容性充电电流，而关断时提供放电电流即可，因此驱动电路很简单。IGBT是P-MOSFET工艺技术基础上的产物，它兼有MOSFET高输入阻抗、高速特性和GTR大电流密度特性的混合器件。它具有宽而稳定的安全工作区，较高的效率，驱动电路简单等优点。21．GTR、IGBT等过流保护中，为何要采用检测集射极电压作为保护基准？答：检测集射极电压Uce作为过流保护原则，在相同的相对测量误差下，工作点的移动最少，结果较准确1.如以测量集电极电流Ic为过流保护原则，当Icg测量误差为cIΔ，则保护电路将在集电极电流为Icg+cIΔ时才动作，但此时工作点已经移至线性放大区，到元件关断时已出现高损耗，导致GTR损坏。2.如以测量集射极电压Uce作为过流保护原则，在相同的相对测量误差下，GTR工作点移动较小，元件关断时功耗只略有增加，可保证器件安全。3.设基极电流Ib减小IbΔ，当采用电流Ic测量的保护方式时，GTR关断时工作点已经进入线性放大区；当采用电压Uce测量保护时，GTR关断时工作点仍在饱和区，确保器件安全。22．GTR、P-MOSFET、IGBT吸收电路的基本结构如何？其减少被保护器件开关损耗的机理如何？答：缓冲电路的功能包括抑制和吸收二个方面。图(a)为电路的基本结构，串联的LS用于抑制di/dt的过量，并联的CS通过快速二极管DS充电，吸收器件上出现的过电压能量，由于电容电压不会跃变，限制了重加du/dt。当器件开通时CS上的能量经RS泄放。对于工作频率较高、容量较小的装置，为了减少损耗，可将图(a)的RLCD电路简化为图(b)的形式。这种由RCD网络构成的缓冲电路普遍用于GTR、GTO、电力MOSFET及IGBT等电力电子器件的保护。（a）(b)图习题2-22吸收电路原理图缓冲电路的功能包括抑制和吸收二个方面。下图为电路的基本结构。关断过程：Cs与GTR集射极并联，利用Cs两端电压不同突变的原理延缓关断时集射极间电压Uce上升的速度，使Uce达最大值之前集电极电流Ic已变小，从而使关断过程瞬时功耗变小。R是限制GTR导通时电容的放电电流。开通过程：Ls与GTR串联，延缓了集电极电流的增长速度，且当电流急剧增大时会在其上产生较大压降，使得集射极电压在导通时迅速下降。这样电压、电流出现最大值的时间错开，关断时功耗明显减小。第3章习题1、某单相可控整流电路，给电阻性负载供电和给蓄电池充电时，流过负载电流的平均值相同，试问哪种情况下晶闸管发热厉害些？答：给蓄电池充电时发热厉害，因为θ↑→I2↑→T↑（Id保持不变）。解：反电动势负载电路中晶闸管的额定电流大一些。因为当控制角为α时，电阻性负载时，晶闸管的导通角θ＝π-α。而反电动势式负载时，当α小于不导电角δ时，θ＝π-2δ；当α大于不导电角δ时，晶闸管的导通角θ＝π-α-δ。所以，反电动势负载时的波形系数Kf1大于电阻性负载时的波形系数Kf