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1、第二章 电力 电子器件2.1 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能使它具有耐受高 电压和大电流的能力？解：1. 电力二极管是垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，提高通流能力 2.电力二极管在P区和N区多了一层低掺杂区，可以承受很高的电压而不致被击穿；3具有电 导调制效应。2.2 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或者 Uak0 且 Ugk02.3 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
2、持电 流。2.4图227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If I2, I3a)b)解:a)b)丄fn(Imsinet)2d(wt) =2L?Im 3I2=y 口口*41十+iiT .6741ImIdi=2HJnImsin(w t)=2n 诗+1)2717ImnIi：2Lfn(Imsinet )2 d (wt)=暮+哈4767Im4Id2= n JnImsine td (wt)=忙 +1) = 5434Im4c)Id3=- J 2 Im d (w t) = 1Im2 口 o4I3= J 2 Im2d (
3、w t)二 1Im2 口 o22.5上题中如果不考虑安全裕量，问100A的晶阐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,Im3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T（AV）a）Im1 沁 o4767 Q 32935 A,Id1 -0.2717Im1 -89.48Ab）Im2 q q 232.90A,Id2沁 0.5434 Im2 q 126.56A0.67411c）Im3=2I=314Id3-Im3 二 78.5426.GTO和普通晶闸管同为PNPN结构,为什么GTO能够自关断,而普
4、通晶闸管不能？答：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al + a2的更接近于l,普通晶闸管al + a2 1.5 ,而GTO则为 al + a2 q 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。2.11 .试列举你所知道的电力电子器件，并从不同的角度对这些电力电
5、子器件进行分类。目 前常用的控型电力电子器件有哪些?解：1. 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： （1）半控型器件：晶闸管及其派生器件（2）全控型器件：IGBT,MOSFET, GTO,GTR（3）不可控器件:电力二极管2. 按照驱动信号的波形（电力二极管除外）（1）脉冲触发型：晶闸管及其派生器件（2）电平控制型：（全控型器件） IGBT,MOSFET, GTO,GTR3. 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：（1）单极型器件：电力MOSFET，功率SIT, 肖特基二极管（2）双极型器件：GTR,GTO,晶闸管，电力二极管等（3）复合型器件：IGBT,MCT,IGCT
6、等4. 按照驱动电路信号的性质，分为两类：（1）电流驱动型：晶闸管，GTO，GTR等（2）电压驱动型：电力MOSFET,IGBT等第3 章 整流电路31单相半波可控整流电路对电感负载供电,Z -ZOmHUIOOM求当a二时和60时的 负载电流Id,并画出Ud与Id波形。解：二0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：Ldid = .J2u 2sin o tdt考虑到初始条件：当o t二0时id=0可解方程：oL(1一 coso
7、t)Id = 2nJ02V0U2(1-cos0t) d(ot)=甞=22.51( A)Ud与Id的波形如下图:当a=60时，在U2的正半周期60180期间，晶闸管导通使电惑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的一个周期中60300期间，以下微分方程成立：diL d 、；2U 2sin o t dt考虑到初始条件：当o t 60时id=0可解方程得:、辽U 2( 1八id= (cos t)dt 2其平均值为Id= 1 f 号 2U2 (1 - cost)d(t) =、2U2 =11.25(A)2 口 口 L 22L3此时Ud与id的波形如下图：u1i/p.卫:
8、(iX/St/ “/i33单相桥式全控整流电路,U2=100V；负载中R=2。,L值极大 当以=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：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=0.9U2cosd =0.9X100Xcos30 =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=100y2=141.4(V)-考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为
9、:Un=(23)X 141.4=283424(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/ 迈=27.57(A)晶闸管的额定电流为:IN=(1.52)X27.57/1.57=2635(A) 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。3.4.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:35单相桥式全控整流电路,U2 =200V,负载R=2 ,L值极大，反电势
10、E=100M当时a =45，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： 整流输出平均电压Ud、电流Id,变压器二次测电流有效值I分别为:Ud=0.9U2cos Q =0.9 X 200 X cos 45 =127.26(V)Id=(Ud 一 E)/R=(127.26-100)/2=13.63(A)I2=Id=13.63(A) 晶闸管承受的最大反向电压为:J2u2=200、迈=282.8(V)流过每个晶闸管的电流的有效值为:IVT=IdM-2 =9.6(A
11、)故晶闸管的额定电压为:UN=(23)X 282.8=565848(V)晶闸管的额定电流为:IN=(1.52)X13.63/1.57=1317.(A)晶闸管额定电压和电流的具体敢值可按晶闸管产品系列参数选取。36晶闸管串联的单相半控桥(桥中VT1、VT2为晶闸管)，电路如图2-11所示,U2=100V电阻 电感负载，R=20,L值很大，当a = 60时求流过器件电流的有效值，并作出Ud、Id、IVT,ID的 波形。解: Ud、Id、IVT,ID 的波形如下图:负载电压的平均值为: 一1 + cos(3)Ud= 口 j,j2u2sintdt)二 0.9U2? 3 二 67.59(V)3负载电流的
12、平均值为:Id=Ud/R=67.52/2=33.75(A)流过晶闸管VT1、VT2的电流有效值为：点 Id = 19.49(A)流过二极管 VD3、 VD4 的电流有效值为：IVD3.7.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a =0。，当负载为电阻时,Ud的波形如下：当负载为电感时，Ud的波形如下:39三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相的自然换相点是同一点 吗?如 果不是,它们在相位上差多少度?答:三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相之间换相的的自然换相点不是同 一点。它们在相位上相
13、差180 311三相半波可控整流电路,U2=100V,带电阻电感负载,R=5。,L值极大，当Q = 60时,要求: 画出Ud, Id和IVT1的波形； 计算Ud、5 IdT和Ivt解:Ud, Id和ivt1的波形如下图：Ud、Id、IdT和IVT分别如下d d dT VTUd=1.17U2cos a =1.17 X 100 X cos60 =58.5(V)Id=Ud/R=58.5/5=11.7(A)IdvT=Id/3=11.7/3=3.9(A)IVT=Id/U3 =6.755(A)3.12.在三相桥式全控整流电路中,电阻负载,如果有一个晶闸管不能导通,此时的整流电压 Ud 波形如何?如果有一个
14、晶闸管被击穿而短路,其他晶闸管受什么影响?答:假设VT1不能导通,整流电压波形如下：假设 VT1 被击穿而短路,则当晶闸管 VT3 或 VT5 导通时,将发生电源相间短路,使得VT3、VT5 也可能分别被击穿。313三相桥式全控整流电路,U2 =100V,带电阻电感负载R=50。,L值极大，当= 60时, 要求: 画出Ud, Id和IVT1的波形 计算Ud、Id、IdT和IVT解:u d, id和ivt 的波形如下：y5TJVI u 4Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud=2.34U2cosd =2.34 X 100 Xcos60 =117(V) Id=Ud/R=117/5=23.4(A)IDVT =Id/3=23.4/3=7.8(A)IVT=Id/ J3 =23.4/ J3 =13.51(A)3.23. 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有何主要异同? 答:带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控整流电路相比有以下异同点: 三相桥式电路是两组三相半波电路串联 ,而双反星形电路是两组三相半波电路并联 , 且后者需要用平衡电抗器; 当变压器二次电压有效值U2相等时，双反星形电路的整流电压平均值Ud是三
