《电力电子技术》_王兆安_第四版习题解答

第一章电力电子器件１．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）。即：UAK＞0且UGK＞0。２．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阳极电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即：维持电流。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阳极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头断。３．图1－43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）mmmdI.I)t(dtsinII2717012222141）＋（＝＝mmmI.I)t(d)tsin(II476702143221241＋＝＝b）mmmdI.I)t(dtsinII54340122142）＋（＝＝mmmI.I)t(d)tsin(II674102143221242＋＝＝c）mmdI)t(dII4121203＝＝mmI)t(dII21212023＝＝４．上题中如果不考虑安全裕量，问100A晶闸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，由上题结果，根据电流有效值相等的原则可得：a）I1＝157A＝0.4767Im∴Im1＝157/0.4767＝329.35（A）Id1＝0.2712Im1＝89.48（A）b）I2＝157A＝0.6742Im∴Im2＝157/0.6742＝232.88（A）Id2＝0.5434Im1＝126.56（A）c）I3＝157A＝0.5Im∴Im3＝157/0.5＝314（A）Id3＝0.25Im1＝78.5（A）５．GTO和普通晶闸管同为PNP结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不能？解：1）GTO器件α2较大，模型中的V2控制灵敏。000ππ2ππ/42π2π5π/2π/2π/4图1－43晶闸管导电波形a）b）c）2）使导通时的α1＋α2更接近于1，而SCR设计的α1＋α2≥1.5，导通时，GTO饱和程度不深，更接近临界饱和，为门极控制关断提供了有利的条件。3）多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，P2基区的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。６．如何防止电力MOSFET因静电感应引起的损坏？解：1）栅极加过压保护。栅源电压不要超过20V。2）运输焊接时防止静电（栅源短接）。７．IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点？解：IGBT和MOSFET均为电压驱动器件，栅源极之间有间电容，故要求驱动电路具有较小的输出电阻，以使快速建立驱动电压。IGBT驱动电路栅射电压为15～20V，而MDSFET栅源电压为10～15V。驱动电路还能提供反压以减小关断时间和关断损耗，同时IGBT驱动电路具有退饱和检测和保护环节。GTR和GTO均为电流驱动器件，故要求触发电路能提供前沿陡度高的正向和负向强触发电流。强脉冲应具有一定的宽度。GTR触发电路还应该具有抗饱和功能，以保证GTR导通时处于临界饱和状态。８．全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么？试分析RCD缓冲电路中各元件的作用？解：（1）关断缓冲电路（du/dt抑制电路）：吸收关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗；（2）开通缓冲电路（di/dt抑制电路）：抑制器件开通时的电流过冲和di/dt及开通损耗。（3）在RCD抑制电路中，C吸收过电压过电流的能量，R消耗C中吸收的能量，D提供R耗能和C吸收能量的通路。９．试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。解：对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点比较如下表：器件优点缺点IGBT开关速度高，开关损耗小，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，电压、电流容量不及GTOGTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电力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电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kw的电力电子装置第二章整流电路１．单相半波可控整流电路对电阻负载供电，R＝20Ω，U＝100V，求当α＝0°和60°时的负载电流Id，并画出ud与id波形。解：当α＝0°时：）（V.U.Ud451004504502）（A./RUIdd2522045当α＝60°时：）（A..U.Ud753325014502）（A..RUIdd691207533ud与id的波形见：教材43页图2－1。２．图2－9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晶闸管承受的最大正反向电压为222U；②当负载为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。解：由图2－9图可以看出，在2U正半周1VT导通，负载电流由变压器次级上端流出，由中心抽头流入，当2U负半周时2VT导通，负载电流由B次级下端流出由中心抽头流入，正负半周电流相等，但在铁芯中产生的磁势方向大小相等且方向相反，故变压器无直流磁化问题。①当1VT导通时，在2u＝22U时，2VT的阴极为22U，而其阳极为－22U，所以VT承受的最大反压为222U。如果是阻感负载且电感是足够大时，当90，1VT导通，2VT的阴极电压为－22U而其阳极电压为22，故其承受的最大正向电压为－222U。②正半周1VT导通，2Uud，负半周2VT导通2Uud。所以输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。３．单相桥式全控整流电路，VU1002＝，负载中Ｒ＝2，Ｌ值极大，当30时，要求：①作出du，di和2i的波形；②求整流输出平均电压dU、电流dI，变压器二次电流有效值2I；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①du，di和2i的波形见右图：②）（＝＝＝V.cosU.Ud782310090902dI＝）（＝＝ARUI3922③晶闸管承受的最大反向电压为：）（＝＝V..U4141100414122考虑安全裕量为，晶闸管的额定电压为：）（～＝）～＝（VUUN4242832322按照晶闸管产品系列参数选取额定电压为300V的晶闸管。流过晶闸管的电流有效值为：）（＝＝A.IIdVT582721考虑安全裕量为，晶闸管的额定电流为：）（～＝）～（＝）（A.I.IVTAVT3526571251按照晶闸管产品系列参数选取额定电流为30A的晶闸管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个周期内承受的电压波形。α＝30°时du，di和2i的波形解：整流二极管VD4两端承受的电压波形如下图所示５．单相桥式全控整流电路，VU1002，负载中Ｒ＝２Ω，Ｌ值极大，反电动势E＝60V，当＝30时，要求：①作出du,di和2i的波形；②求整流输出平均电压dU、电流dI，变压器二次侧电流有效值2I；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①du,di和2i的波形如下图所示：②整流输出平均电压dU、电流dI，变压器二次电流有效值2I分别为dU＝0.9cosU2＝0.923100＝78VREUIdd=26078＝9AAIId92③考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：）（～＝）～＝（VUUN4242832322按照产品系列参数选取300V的晶闸管。流过晶闸管的电流有效值为：）（＝＝A.IIdVT36621考虑安全裕量为，晶闸管的额定电流为：）（～＝）～（＝）（A.I.IVTAVT86571251按照晶闸管产品系列参数选取额定电流为10A的晶闸管６．晶闸管串连的单相半控桥（桥中1VT，2VT为晶闸管），电路如图2－11所示，2U＝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du，di，VTi,VDi的波形。解：du＝0.92U21cos＝67.5（V）di＝90.RUd2U21cosR1＝210090.21cos＝33.75(A)VTi=di2＝di360120＝0.57733.75＝19.49（A）udOtudOtuVD4VD2VT3VD4udVT1uVD4u2α＝30°时du，di和2i的波形VDi＝di2＝di360240＝0.81633.75＝27.56（A）du，di，VTi,VDi波形如右图所示：７．三相半波整流电路，如果a相的触发脉冲消失，试绘制在电阻负载和阻感负载下整流电压的波形。解：设α＝30°，电压波形如下图所示：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称成为曲折接法，每段的电动势相同，其分段布置及其矢量图如图2－60所示。此时线圈的绕组增加了一些，铜的用数约增加10％。问变压器铁芯是否被直流磁化，理由？答：由接线图和矢量图可以看出，每相晶闸管导通时，同时有两个绕组工作。这两个绕组分属两相，每个电周期内，每个绕组都工作一次，但同相上的两个绕组因其极性接法不同，故流过的电流极性相反，但大小相等，故无直流磁化问题。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，他们在相位上相差多少度？答：不是同一点，在相位上相差18010．有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，他们的控制角都是，对同一相，如a相来说，这两组的触发脉冲在相位上相差多少度？答：相差180。11．三相半波可控电路，2U=100V，带阻感负载，R＝5Ω，L值极大，当60时，要求：①画出du，di，VTi的波形；②计算dU，dI，dVTI和VTI。解：①波形如下图：②输出平均电压：dU＝1.17211172cosU＝58.5（V）输出平均电流：dI=5558.RUd＝11.7（A）udOtOOOOttttiVTudidiVD4iVD3VD3VT2VD4udVT1uVD4u2电阻负载ud波形阻感负载ud波形uduaOtubucuduaOtubuc流过晶闸管的平均电流：dVTI＝dI31＝3.9（A）流过晶闸管的电流有效值：VTI＝dI31＝6.76（A）12．全控桥电路，R负载，如果一个VT不导通，此时du波形如何？如一个VT被击穿而短路，其它晶闸管受何影响？解：设30，当一个晶闸管如1VT不导通，其输出电压波形如下图所示。如果有一个VT被击穿而短路。假如没有很好的过流保护，将造成同组（共阴极或共阳极组）的晶闸管因相间短路过流而烧毁。13．三相全控桥电路，2U=100V，带阻感负载，R=5Ω，L值极大，当60时，要求：①画出du，di，VTi的波形。②计算dU，dI，dVTI和VTI。解：①波形如下图：②输出电压平均值：dU＝2.34212342cosU＝117（V）输出电流平均值：dI＝5117RUd＝23.4（A）流过晶闸管的平均电流：dVTI＝dI31＝7.8（A）流过晶闸管的电流有效值：VTI＝dI31＝13.5（A)uduabOtuacubcucaucbuabuacubaiVT1tidOOtuduaOubuct14．单相全控桥电路，已知2U=100V，R＝1Ω，L＝∞，E＝40V，＝60，BL＝0.5mH。当60时，求dU,dI与的数值