2016电力电子参考答案

第二章电力电子器件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才使得它具有耐受高电压和大电流的能力。答：电力二极管内部结构断面示意图2．4所示，（1）电力二极管是垂直导电结构，即电流在硅片内流动的总体方向是与硅片表面垂直的。而信息电子电路中的二极管一般是横向导电结构，即电流在硅片内流动的总体方向是与硅片表面平行的。垂直导电结构使得硅片中通过电流的有效面积增大，可以显著提高二极管的通流能力。（2）电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区(在半导体物理中用N-表示)，也称为：漂移区(DriftRegion)。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)(IntrinsicSemiconductor)，因此，电力二极管的结构也被称为P-i-N结构。由于掺杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很高的电压而不致被击穿，因此低掺杂N区越厚，电力二极管能够承受的反向2电压就越高。（3）低掺杂N区由于掺杂浓度低而具有的高电阻率对于电力二极管的正向导通是不利的。这个矛盾是通过电导调制效应(ConductivityModulation)来解决的。当PN结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加；当PN结上流过的正向电流较大时，由P区注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。电导调制效应使得电力二极管在正向电流较大时压降仍然很低，维持在lV左右，所以正向偏置的电力二极管表现为低阻态。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。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3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。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。0022244254a)b)c)图1-430图2-27晶闸管导电波形解：平均值计算公式：001[()]()TtAVEtftftdtT有效值计算公式：0021[()][()]TtRMStftftdtTa)Id1=π214)(sinttdIm=π2mI(122)0.2717ImI1=42)()sin(21tdtIm=2mI21430.4767Imb)Id2=π14)(sinttdIm=πmI(122)0.5434ImI2=42)()sin(1tdtIm=22mI21430.6741Imc)Id3=π2120)(tdIm=41ImI3=202)(21tdIm=21Im5.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的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、Im34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)Im14767.0I329.35，Id10.2717Im189.48b)Im26741.0I232.90,Id20.5434Im2126.56c)Im3=2I=314,Id3=41Im3=78.56.GTO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1和2，由普通晶闸管的分析可得，1+2=1是器件临界导通的条件。1+2＞1，两个等效晶体管过饱和而导通；1+2＜1，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：1)GTO在设计时2较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断；2)GTO导通时的1+2更接近于1，普通晶闸管1+21.15，而GTO则为1+21.05，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。7.与信息电子电路中的MOSFET相比，电力MOSFET具有怎样的5结构才具有耐受高电压和大电流的能力。（1）垂直导电结构：发射极和集电极位于基区两侧，基区面积大，很薄，电流容量很大。（2）N-漂移区：集电区加入轻参杂N-漂移区，提高耐压。（3）集电极安装于硅片底部，设计方便，密封密度高，耐压特性好。8.试分析IGBT和电力MOSFET在内部结构和开关特性上的相同和不同之处。IGBT比电力MOSFET在背面多一个P型层，IGBT具有开关速度高，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。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GTO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6第3章整流电路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。u1TVTu2uVTudid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212cosdCUtLi考虑到初始条件：当t＝0时id＝0可解得212CU，因此得到瞬时电流方程：22(1cos)dUitL则平均电流为：202d)(d)cos1(221ttLUI=LU22=321002502010=22.51(A)ud与id的波形如下图：70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212cosdCUtLi考虑初始条件：当t＝60时id＝0可解得2122CU，方程得：)cos21(22dtLUi其平均值为)(d)cos21(2213532dttLUI=LU222×（23+3）=12.57(A)此时ud与id的波形如下图：tudid++ttu20++82．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。图3-10单相全波可控整流电路及波形答：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。a)b)u1TRu2u2i1VT1VT2ududi1OOtt9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．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。TabRLu1u2i2VT1VT3VT2VT4ud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）10I2＝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）（3-14）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。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。TabRLu2i2udidVT1VT3VD2VD4VDR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：1102tttu2uVD2uVD4005．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=100V，当=45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，变压器二次侧电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。Eidud解：①ud、id和i2的波形如下图：u2OtOtOtudidi2OtIdIdId②整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I212分别为Ud＝0.9U2cosα＝0.9×200×cos45°＝127.28(V)Id＝(Ud－E)/R＝(127.28－100)/2＝13.64(A)I2＝Id＝13.64(A)③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＝9.65（A）故晶闸管的额定电压为：UN＝(2~3)×282.8＝565~848（V）晶闸管的额定电流为：IN＝(1.5~2)×9.65∕1.57＝9~12（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。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，ud的波