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1、 目目 录录 第 1 章 电力电子器件 1 第 2 章 整流电路 4 第 3 章 直流斩波电路 20 第 4 章 交流电力控制电路和交交变频电路 26 第 5 章 逆变电路 31 第 6 章 PWM 控制技术 35 第 7 章 软开关技术 40 第 8 章 组合变流电路 42 pdy FREE FOR YOU 1 第第 1 章章 电力电子器件电力电子器件 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 或 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电
2、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 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 002 2 2 4 4 2 5 4 a b c 0 图 1 43 晶闸管导电波形 解 a Id1 2 1 4 sinttdIm 2 m I 1 2 2 0 2717 Im I1 4 2 sin 2 1 tdtIm 2 m I 2 1 4
3、 3 0 4767 Im b Id2 1 4 sinttdIm m I 1 2 2 0 5434 Im I2 4 2 sin 1 tdtIm 2 2 m I 2 1 4 3 0 6741I c Id3 2 1 2 0 tdIm 4 1 Im I3 2 0 2 2 1 tdIm 2 1 Im 4 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 PDF created with pdfFactory Pro trial version 2 多少 这时 相应的电流最大值 Im1 Im2 Im3各为多少 解 额定电流 I T AV 100A 的晶闸管 允许
4、的电流有效值 I 157A 由上题计算结果知 a Im1 4767 0 I 329 35 Id1 0 2717 Im1 89 48 b Im2 6741 0 I 232 90 Id2 0 5434 Im2 126 56 c Im3 2 I 314 Id3 4 1 Im3 78 5 5 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
5、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 6 如何防止电力 MOSFE
6、T 因静电感应应起的损坏 答 电力 MOSFET 的栅极绝缘层很薄弱 容易被击穿而损坏 MOSFET 的输入电容是低 泄漏电容 当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过 20 的击穿电压 所以为防止 MOSFET 因静电感应而引起的损坏 应注意以下几点 一般在不用时将其三个电极短接 装配时人体 工作台 电烙铁必须接地 测试时所有仪器外壳必须接地 电路中 栅 源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高 漏 源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压 7 IGBT GTR GTO 和电力 MOSFET 的驱动电路各有什么特点 答 IGBT 驱动电路的特点是 驱动电路具有较小的输出电阻 IGBT 是电压驱动型器件
7、 IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器 PDF created with pdfFactory Pro trial version 3 GTR 驱动电路的特点是 驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿 并有一定的过 冲 这样可加速开通过程 减小开通损耗 关断时 驱动电路能提供幅值足够大的反向基 极驱动电流 并加反偏截止电压 以加速关断速度 GTO 驱动电路的特点是 GTO 要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅 值和陡度 且一般需要在整个导通期间施加正门极电流 关断需施加负门极电流 幅值和 陡度要求更高 其驱动电路通常包括开通驱动电路 关断驱动电路和门极反偏电路三部分 电力 MOS
8、FET 驱动电路的特点 要求驱动电路具有较小的输入电阻 驱动功率小且 电路简单 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 答 全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压 du dt 或过电流和 di dt 减小器件的开关损耗 RCD 缓冲电路中 各元件的作用是 开通时 Cs经 Rs放电 Rs起到限制放电电流的 作用 关断时 负载电流经 VDs从 Cs分流 使 du dt 减小 抑制过电压 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 的优缺点的比较如下表 器 件
9、 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 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 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
10、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 PDF created with pdfFactory Pro trial version 4 第第 2 章章 整流电路整流电路 1 单相半波可控整流电路对电感负载供电 L 20mH U2 100V 求当 0 和 60 时的负载电流 Id 并画出 ud与 id波形 解 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
11、程均成立 tU t i L sin2 d d 2 d 考虑到初始条件 当 t 0 时 id 0 可解方程得 cos1 2 2 d t L U i 2 0 2 d d cos1 2 2 1 tt L U I L U 2 2 22 51 A ud与 id的波形如下图 0 2 t u2 0 2 t0 2 t ud 0 2 t id 当 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 tU t i L sin2 d d 2 d 考虑初始条件 当 t
12、60 时 id 0 可解方程得 cos 2 1 2 2 d t L U i PDF created with pdfFactory Pro trial version 5 其平均值为 d cos 2 1 2 2 1 3 5 3 2 d tt L U I L U 2 2 2 11 25 A 此时 ud与 id的波形如下图 t ud id t t u2 0 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 晶闸管承受的最大反向电压为 2 2 2U 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 答 具有变压器中心抽头的单相全波可控整
13、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 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 2 2 2U 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 期间无晶闸管导通 输出电压为 0 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 期间
14、均 无晶闸管导通 输出电压为 0 2 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 对于电感负载 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 2 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 PDF created with pdfFactory Pro trial version 6 3 单相桥式全控整流电路 U2 100V 负载中 R 2 L 值极大 当 30 时 要求 作
15、出 ud id 和 i2的波形 求整流输出平均电压 Ud 电流 Id 变压器二次电流有效值 I2 考虑安全裕量 确定晶闸管的额定电压和额定电流 解 ud id 和 i2的波形如下图 u2 O t O t O t ud id i2 O t Id Id 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 9 U2 cos 0 9 100 cos30 77 97 V Id Ud R 77 97 2 38 99 A I2 Id 38 99 A 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
16、 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 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 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 PDF created with pdfFactory Pro trial version 7 0 2 t t t u2 uVD2 uVD4 0 0 5 单相桥式全控整流电路 U2 100V 负载中 R 2 L 值极大 反电势 E 60V 当 30 时 要求 作出 ud id和 i2的波形 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 考虑安全裕量 确定晶闸管的额定电压和额定电流 解 ud id和 i2的波形如下图 u2 O t O t O t ud id i2 O t Id Id Id 整流输出平均电压
