(华北电力大学版)电力电子技术课后习题答案

电力电子技术答案第1页共18页电力电子技术习题集标*的习题是课本上没有的，作为习题的扩展习题一*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上大大地下降了，也就是电导率大大增加了。这种现象被称为基区的电导调制效应。电导调制效应使半导体器件的通态压降降低，通态损耗下降；但是会带来反向恢复问题，使关断时间延长，相应也增加了开关损耗。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？晶闸管由导通变为关断的条件是什么，如何实现？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压（UAK0），并在门极施加触发电流（UGK0）。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，这种情况下，晶闸管将自动返回阻断状态。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。*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其阳极电流IA大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流IH。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。3.图1-30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各位多少？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1-30习题1-4附图解：（a）mmmm0I11Isin()()2I0.3185I22daItdt22mmm00II11cos(2)(Isin())()()()22222atItdtdt电力电子技术答案第2页共18页额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则mI3140.5aIA；平均值Ida为：mI100daIA（b）mmm012Isin()()I0.6369IdbItdt22mmm00II11cos(2)(Isin())()()()222btItdtdt额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则mI2222bIA；平均值Idb为：m0.6369I141.4dbIA（c）mmm313Isin()()I0.4777I2dcItdt22mmm33I11cos(2)13(Isin())()()()()0.6343I2238ctItdtdt额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则mI247.50.6343cIA；平均值Idc为：m0.4777I118dcIA（d）mmmm33I113Isin()()I0.2388I2224ddItdt22mmm33I11cos(2)13(Isin())()()()()0.4486I2222238dtItdtdt额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则mI3500.4486dIA；平均值Idd为：0.2388*35090.7ddIA（e）4mmm011I()I0.125I224deIdt24mm01I()0.3536I2eIdt额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则mI4440.3536eIA：平均值Ide为：0.125*44455.5deIA（f）4mmm011I()I0.25I4dfIdt24mm01I()0.5IfIdt额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A，则：mI3140.5fIA平均值Ide为：0.25*31478.5dfIA电力电子技术答案第3页共18页*在图1-31所示电路中，若使用一次脉冲触发，试问为保证晶闸管充分导通，触发脉冲宽度至少要多宽？图中，E=50V；L=0.5H；R=0.5Ω;IL=50mA（擎住电流）。TLREUGSiGtt图1-31习题1-5附图图1-32习题1-9附图解：晶闸管可靠导通的条件是：必须保证当阳极电流上升到大于擎住电流之后才能撤掉触发脉冲。当晶闸管导通时有下式成立：diELRidt解之得：(1)RtLEieR可靠导通条件为：0.05LiI解得：0.50.5500.05(1)(1)0.5RttLEeeR即4100ln51000.05tes500tus也即触发脉冲宽度至少要500μs4.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：A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。BGTO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。CGTO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。*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：二者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。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。5.试比较GTR、GTO、MOSFET、IGBT之间的差异和各自的优缺点及主要应用领域。答：见下表器件优点缺点应用领域GTR耐压高，电流大，开关特性开关速度低，电流驱动型UPS、空调等中小功电力电子技术答案第4页共18页好，通流能力强，饱和压降低需要驱动功率大，驱动电路复杂，存在2次击穿问题率中频场合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，开关频率低高压直流输电、高压静止无功补偿、高压电机驱动、电力机车地铁等高压大功率场合。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开关电源、日用电气、民用军用高频电子产品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。电机调速，逆变器、变频器等中等功率、中等频率的场合，已取代GTR。是目前应用最广泛的电力电子器件。*请将VDMOS（或IGBT）管栅极电流波形画于图1-32中，并说明电流峰值和栅极电阻有何关系以及栅极电阻的作用。答：UGSiGttVDMOSFET和IGBT都是电压驱动型器件，由于存在门极电容，其门极电流的波形类似于通过门极电阻向门极电容的充电过程，其峰值电流为Ip＝UGE/RG。栅极电阻的大小对器件的静态和动态开关特性有很大的影响：RG增加，则开通时间、关断时间、开通损耗关断损耗增加；CEdUdt和位移电流减小；触发电路振荡抑止能力强，反之则作用相反。因此在损耗容许的条件下，RG可选大些以保证器件的安全，具体选择要根据实际电路选。典型的应用参数为：＋UGE＝15V，－UGE＝－(5~10)V，RG＝10～50欧*全控型器件的缓冲吸收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。答：缓冲电路的主要作用是抑止器件在开关过程中出现的过高的dUdt、dIdt和过电压，减小器件的开关损耗保证器件工作在安全范围之内。RCD缓冲电路中主要是为了防止器件关断过程中的过电压。器件关断时，负载电流经二极管D向吸收电容C充电，使器件两端的电压由0缓慢上升，减缓dUdt，一方面可以抑止过电压，一方面可以减小关断损耗；开通时，吸收电容的能量经电阻R向器件放电，为下次关断做好准备，电阻R的作用是限制放电电流的大小、抑止缓冲电路的振荡。电力电子技术答案第5页共18页*限制功率MOSFET应用的主要原因是什么？实际使用时如何提高MOSFET的功率容量？答：限制功率MOSFET应用的主要原因是其电压、电流容量难以做大。因为MOSFET是单极性器件，所以通态损耗较大，其通态电阻为2.5DSonURS。高压大电流时，其通态电阻（对应损耗）达到令人难以接受的程度（目前的市场水平最大为1200V/36A）。实际使用时由于MOSFET具有正的温度系数，可以方便地采用多管串并联的方法来提高其功率容量。习题二1*．具有续流二极管的单相半波可控整流电路，带阻感性负载，电阻为5Ω，电感为0.2H，电源电压的有效值为220V，直流平均电流为10A，试计算晶闸管和续流二极管的电流有效值，并指出晶闸管的电压定额（考虑电压2-3倍裕度）。解：本题困难，可不作为习题要求。a)LTVTRu1u2uVTudVDidu2udiduVTiVTIdId?t1?t?t?t?t?t?t000000?-??+?b)c)d)e)f)g)iVDiVDI1I0电路上图所示。设触发角为α，则在α～π期间晶闸管导通，其直流输出电压Ud如图（b）所示；在0～α和π～2π＋α期间，续流二极管导通，直流输出电压为0，则直流平均电压为22(1cos)2dUU22(1cos)2ddUUIRR带入已知参数可得220210(1cos)2*5，即2。电力电子技术答案第6页共18页设晶闸管开始导通时的电流值为I0，晶闸管关断、二极管开始导通时的电流值为I1，则在晶闸管导通期间的回路方程为：20212sin..................(1)|......................................(2)|.......................................(3)ttdiLiRUtdtiiii由（1）可得方程的通解为2222sin()()RtLUitAeRLLarctgR（4）带入式（2）的初值条件，解得220222sin()2()RLUAIeRL将上式带入（4）并将已知参数带入可得0.1252504.6sin(1.5)(0.32)titIe将式（3）的条件带入得1004.59(0.32)*0.880.884.3III（5）当二极管导通时，电流表达式为2511RttLiIeIe在ωt=2π＋π/2处，i=I0，可得I1和I0之间的关系0.3750110.69IIeI（6）由（5）、