电力电子课后习题详解

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1、电力电子技术答案电力电子技术答案 第二章第二章 2 2- -1 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特点才使得其具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特点才使得其具 有耐受高压和大电流的能力？有耐受高压和大电流的能力？ 答：1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著 提高了二极管的通流能力。 2.电力二极管在 P 区和 N 区之间多了一层低掺杂 N 区，也称漂移区。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，由于掺杂浓度低，低掺杂 N 区就可 以承受很高的电压而不被击穿。 2 2- -2. 2

2、. 使晶闸管导通的条件是什么？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。 2 2- -3. 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？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。 2 2- -4 4 图图2 2- -

3、2727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 均为均为 Im Im ，试计算各波形的电流平均值，试计算各波形的电流平均值 Id1Id1、Id2Id2、Id3Id3与电流有效值与电流有效值 I1I1、I2I2、I3I3。 解：a) Id1= I1= b) Id2= I2= Im2717. 0) 122(2Im)(sinIm21 4+=tIm4767. 021 43 2Im)()sin(Im2142+=wtdtIm5434. 0) 122(2Im)(sinIm14=+=wtd tIm6741. 021 43 2Im

4、2)()sin(Im142+=wtdtc) Id3= I3= 2 2- -5 5上题中如果不考虑上题中如果不考虑安全裕量安全裕量, ,问问100A100A 的晶阐管能送出的平均电流的晶阐管能送出的平均电流 Id1Id1、 Id2Id2、 Id3Id3 各为多少各为多少? ?这时，相应的电流最大值这时，相应的电流最大值 Im1Im1、Im2Im2、Im3Im3各为多少各为多少? ? 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) m10.4767 329.35 Id10.2717Im189.48A b) m20.6741 232.90 I

5、d2 c) Im3=2I=314 Id3= 2 2- -6 6 GTOGTO和普通晶闸管同为和普通晶闸管同为PNPNPNPN结构结构, ,为什么为什么GTOGTO能够自关断能够自关断, ,而普通晶闸管不能而普通晶闸管不能? ? 答：GTO 和普通晶阐管同为 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和，由普通晶阐管的分析可得，是器件临界导通的条件。两个等效晶体管过饱和而导通；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： l)GTO 在设计时较大，

6、这样晶体管 V2 控制灵敏， 易于 GTO关断； 2)GTO 导通时的更接近于 l，普通晶闸管，而 GTO 则为，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。 2 2- -7 7 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特点才使得它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特点才使得它 具有耐受高电压电流的能力？具有耐受高电压电流的能力？ 答1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中

7、通过电流的有效面积增大，显著提高了 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，也称漂移区。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，由于掺杂浓度低，低掺杂 N 区就可以 承受很高的电压而不被击穿。 2 2- -8 8 试分析试分析 IGBTIGBT 和电力和电力 MOSFETMOSFET 在内部结构和开关特性上的相似与不同之处在内部结构和开关特性上的相似与不同之处. . 答：IGBT 比电力 MOSFET 在背面多一个 P 型层，IGBT 开关速度小，开关损耗少具有耐脉 冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动

8、，驱动功率小。开关速度低于 电力 MOSFET。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。 IGBT 驱动电路的特点是:驱动电路具有较小的输出电阻，GBT 是电压驱动 型器件，IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器。 电力 MOSFET 驱动电路的=2 0Im41)(Im21 tdIm21)(Im212 02=tdAIm56.1265434. 025 .78413=mI12121=+ 121+121+2 21+5 . 121+ 05. 121+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。 2 2-

9、 -1111目前常用的全控型电力电子器件有哪些？目前常用的全控型电力电子器件有哪些？ 答：门极可关断晶闸管, 电力晶闸管，电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管。 第三章第三章 3 3- -1. 1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电，单相半波可控整流电路对电感负载供电，L L20mH20mH，U2U2100V100V，求当，求当0 0 和和6060 时的负载电流时的负载电流 IdId，并画出，并画出 udud 与与 idid 波形。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

10、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：tUtiLsin2dd2d= 考虑到初始条件：当t0 时 id0 可解方程得：)cos1(22 dtLUi= =202 d)(d)cos1 (2 21ttLUI =LU 22=22.51(A) ud与 id的波形如下图： 02tu202t02tud02tid当60时，在 u2正半周期 60180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180300期间释放， 因此在u2一个周期中60300期间以下微分方程成立： tUtiLsin2dd2d= 考虑初始条件：当t60时 id0 可解方程得：)

11、cos21(22 dtLUi= 其平均值为)(d)cos21(2 213532 dttLUI=LU 222=11.25(A) 此时 ud与 id的波形如下图： tudid+ttu20+3 3- -2 2 图 图3 3- -1010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 222U；当负载；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。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。

12、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。 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。 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

13、、VT4导通，输出电压均与电源电压 u2相等；()期间，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。 3 3- -3 3单相桥式全控整流电路，单相桥式全控整流电路，U2U2100V100V，负载中，负载中 R

14、R2 2，L L 值极大，当值极大，当 3030时，要求：时，要求： 作出作出 u ud d、i id d、和、和 i i2 2的波形；的波形； 求整流输出平均电压求整流输出平均电压 U Ud d、电流、电流 IdId，变压器二次电流有效值，变压器二次电流有效值 I2I2； 考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。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： u2OtOtOtudidi2OtIdId输出平均电压 Ud、电流 Id，变压器二次电流有效值 I2分别为 Ud0.9 U2 cos0.9100cos3077.97（V） IdUd /R77.

15、97/238.99（A） I2Id 38.99（A） 晶闸管承受的最大反向电压为：2U21002141.4（V） 考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：UN（23）141.4283424（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：IVTId227.57（A） 晶闸管的额定电流为：IN（1.52）27.571.572635（A） 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。 3 3- -4 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。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，