电力电子技术复习习题解析华北电力大学

第一章电力电子器件一、本章主要内容及重点与难点【主要内容】本章主要讨论电力电子器件的分类以及典型电力电子器件的结构、电气符号、工作原理、基本特性与主要参数。在学习过程中，主要应掌握以下内容：1．电力电子器件的概念与特征；2.电力电子器件的分类；3.电力二极管的工作原理、基本特性与主要参数；4.晶闸管（SCR）的工作原理、基本特性与主要参数；5.几种典型全控型电力电子器件（GTO；GTR；PowerMOSFET；IGBT）的工作原理、基本特性与主要参数；6.上述全控型电力电子器件的性能比较。【重点与难点】本章重点在于半控型器件——晶闸管，要重点掌握晶闸管的的结构、电气符号、开关规律、静态特性以及主要参数。（重点应该再加上MOS和IGBT，因为这2种器件应用应用很广很重要。）本章难点在于晶闸管额定电流、额定电压的定义以及实际使用中如何选择晶闸管的参数。二、典型习题解析例1-1下列对晶闸管特性的叙述中，正确的是（）。A晶闸管属于电流驱动双极型器件C晶闸管触发导通后，门极就失去了控制作用B晶闸管具有单向导电性D晶闸管的擎住电流大于维持电流【答案】A、B、C、D【解析】本题主要考察对晶闸管特性的熟悉程度，四个选项的描述均正确。A选项考察晶闸管的分类；B选项考察半导体器件的特点；C选项考察晶闸管的开关特性；D选项考察晶闸管的主要参数例1-2双向晶闸管的额定电流是以（）定义的；GTO的额定电流是以（）定义的。A平均值B有效值C最大值D瞬时值【答案】B，C【解析】本题主要考察双向晶闸管与GTO额定电流的定义，双向晶闸管的正向伏安特性与反向伏安特性相同，用于交流电路中，其额定电流是以有效值定义的。GTO的阳极电流如过大，可能会出现无法由门极控制关断的情况，因此其额定电流是以最大可关断阳极电流定义的。例1-3下列电力电子器件中，存在电导调制效应的是（）。AGTOBGTRCPowerMOSFETDIGBT【答案】A、B、D【解析】本题主要考察对电导调制效应的理解，电导调制效应仅在双极型器件中起作用，单极型器件仅有一种载流子参与导电，因此不存在电导调制效应。题目中所列选项仅PowerMOSFET为单极型器件，故为排除项。例1-4下列电力电子器件中，电流容量最大的是（）；开关频率最高的是（）。AGTOBGTRCPowerMOSFETDIGBT【答案】A，C【解析】本题主要考察全控型电力电子器件的特点，GTO导通时饱和程度较深，适用于高压大容量场合，PowerMOSFET属于单极型器件，没有少子的存储效应，因此开关速度较快，适用于高频电路。例1-5下列电力电子器件中，（）的驱动功率较小。ASCRBGTOCGTRDIGBT【答案】D【解析】本题主要考察对电压型驱动电路与电流型驱动电路的区别，电压型驱动电路的输入阻抗高，要求的驱动功率小，驱动电路简单，上述器件中仅有IGBT为电压驱动型器件。例1-6晶闸管刚由断态转入通态并且去掉门极信号，仍能维持其导通所需的最小阳极电流，称为（）。A.维持电流B.擎住电流C.浪涌电流D.额定电流【答案】A【解析】本题主要考察晶闸管维持电流的定义，晶闸管触发导通后，维持其导通所必须的最小电流为维持电流。例1-7由于二次击穿现象对GTR的危害极大，因此规定了GTR的安全工作区，此安全工作区由（）曲线组成。A.2条B.3条C.4条D.5条【答案】C【解析】本题主要考察GTR安全工作区的限制条件，GTR的安全工作区由集电极最大电流、最高工作电压、最大耗散功率与二次击穿临界线四条曲线限制。例1-8下列电气符号中，GTO的电气符号是（）。A.BC.D.【答案】A【解析】本题主要考察对电气符号的认识，A为GTO，B为逆导晶闸管，C为双向晶闸管，D为晶闸管。例1-9图1-1所示电路，一只晶闸管与灯泡串联，加上直流电压U，开关S闭合前灯泡亮不亮？，原因是；开关S闭合后灯泡亮不亮？，原因是；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。UES图1-1【答案】不亮；没有门极触发脉冲，晶闸管处于断态；亮；晶闸管承受正向电压且门极有触发脉冲，导通；亮；晶闸管导通后门极即失去控制作用。【解析】本题主要考察对晶闸管开关规律的理解。晶闸管导通必须同时具备两个条件，一是正向阳极电压，二是具有门极触发脉冲；一旦晶闸管导通后，内部正反馈过程形成，门极就失去了控制作用。例1-10图1-2所示电路，U1=100V，R=1Ω，触发角α=0°，考虑两倍安全裕量，选择合适的晶闸管。~U1R图1-2【答案】晶闸管的额定电压UT=282V，可选择300V的器件晶闸管的额定电流IT=90A，可选择100A的器件【解析】本题考查对晶闸管额定电流与额定电压的定义以及如何选择晶闸管的额定参数。晶闸管的额定电压一般选择器件所承受的最高正、反向电压中的较大值，本题中晶闸管承受的最高正、反反向电压均为122100141UVV，考虑两倍安全裕量，UVT=282V，可选择300V的器件；晶闸管的额定电流是按正弦半波电流的平均值定义的，选择器件则按照有效值相等的原则，由于α=0°，流过晶闸管的电流波形为正弦半波，因此晶闸管的额定电流10.450.45100451TUIAR，考虑两倍安全裕量，IT=90A，可选择100A的器件。三、课后习题解答1.晶闸管正常导通的条件是什么，导通后流过的电流由什么决定？晶闸管关断的条件是什么，如何实现？答：晶闸管正常导通的条件是：1）晶闸管承受正向阳极电压（UAK0）；2）在门极施加触发电流（UGK0，这里还得加上IG0，电流驱动器件，光写有电压不严谨）。晶闸管关断的条件是：流过晶闸管的电流降低到维持电流以下（IAIH）。要使晶闸管由导通转为关断，可利用外加反向电压或由外电路作用使流过晶闸管的电流降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。2.有时晶闸管触发导通后，触发脉冲结束后它又关断了，是何原因？答：这是由于触发脉冲宽度不够或电路中电感较大（尤其是在阻感负载情况下），晶闸管的阳极电流IA没有达到晶闸管的擎住电流（IL）就去掉了触发脉冲，此时，晶闸管将自动返回阻断状态。因此，在具体电路中，由于阳极电流上升到擎住电流需要一定的时间（主要由外电路结构决定），所以门极触发信号需要保证一定的宽度。3.图1-3中的阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值、有效值。如不考虑安全裕量，额定电流100A的晶闸管，流过上述电流波形时，允许流过的电流平均值Id各为多少？0ti20ti20t2i0t2i0ti2/34/37/3/49/40ti2/49/45/4(a)(c)(e)(f)(d)(b)/37/3图1-3解：（a）011sin()()20.318322mdammmIIItdtII220011(sin)()(1cos2)()2222mmamIIIItdttdt额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则2157314()mIA；平均值为：100mdaIIA。（b）012sin()()0.6366dbmmmIItdtII220011(sin)()(1cos2)()22mmbmIIIItdttdt额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则2157222()mIA；平均值为：0.6366141.33()dbmIIA。（c）313sin()()0.47752dcmmmIItdtII22331113(sin)()(1cos2)()()0.6342238mcmmmIIItdttdtII额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则157247.56()0.6342mIA；平均值为：0.4775118.21()dcmIIA。（d）33113sin()()0.23872224mddmmmIIItdtII22331113(sin)()(1cos2)()()0.4485222238mdmmIIItdttdtI额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则157350.06()0.4485mIA；平均值为：0.238783.56()ddmIIA。（e）4011()0.125224demmmIIdtII2401()0.35362emmIIdtI额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则157444.00()0.3536mIA；平均值为：0.12555.5()demIIA。（f）4011()0.254dfmmmIIdtII2401()0.5fmmIIdtI额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则：157314()0.5mIA；平均值为：0.2531478.5()dfIA4、为什么晶闸管不能用门极负脉冲信号关断阳极电流，而GTO却可以？答：GTO和普通晶闸管同为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α1和α2，由普通晶闸管得分析可得，α1＋α2＝1是器件临界导通的条件。α1＋α21两个晶体管饱和导通；α1＋α21不能维持饱和导通而关断。GTO能关断，而普通晶闸管不能是因为GTO在结构和工艺上有以下几点不同：1）多元集成结构使每个GTO元的阴极面积很小，门极和阴极的距离缩短，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。2）GTO导通时α1＋α2更接近1，晶闸管α1＋α21.15，而GTO则为α1＋α2≈1.05，饱和程度不深，在门极控制下易于退出饱和。3）GTO在设计时，α2较大，晶体管V2控制灵敏，而α1很小，这样晶体管V1的集电极电流不大，易于从门极将电流抽出，从而使GTO关断。5、GTO与GTR同为电流控制器件，前者的触发信号与后者的驱动信号有哪些异同？答：1）GTO与GTR驱动信号的相同之处在于：GTO与GTR都是电流型驱动型器件，其开通和关断都要求有相应的触发脉冲，要求其触发电流脉冲的上升沿陡且实行强触发。2）GTO与GTR驱动信号的区别在于：GTR要求在导通期间一直提供门极触发电流信号，而GTO当器件导通后可以去掉门极触发电流信号；GTO的电流增益（尤其是关断电流增益很小）小于GTR，无论是开通还是关断都要求触发电流有足够的幅值和陡度，其对触发电流信号（尤其是关断门极负脉冲电流信号）的要求比GTR高。6、试比较GTR、GTO、MOSFET、IGBT之间的差异和各自的优缺点。答：GTR、GTO、MOSFET、IGBT之间的差异及各自的优缺点如下表所示：器件优点缺点GTR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，电流驱动型需要驱动功率大，驱动电路复杂，存在2次击穿问题GTO电压、电流容量很大，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，驱动功率很大，驱动电路复杂，开关频率低MOSFET开关速度快，开关损耗小，工作频率高，门极输入阻抗高，热稳定性好，需要的驱动功率小，驱动电路简单，没有2次击穿问题电流容量小，耐压低，通态损耗较大，一般适合于高频小功率场合IGBT开关速度高，开关损耗小，通态压降低，电压、电流容量较高。门极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单开关速度不及电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO。四、补充习题1．试说明什么是电导调制效应及其作用。答：当PN结通过正向大电流时，大量空穴被注入基区（通常是N型材料），基区的空穴浓度（少子）大幅度增加，这些载流子来不及和基区的电子中和就到达负极。为了维持基区半导体的电中性，基区的多子（电子）浓度也要相应大幅度增加。这就意味着，在大注入的条件下原始基片的电阻率实际