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1、电力电子技术(专科第二版)习题解答第1章 思考题与习题1.1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定?答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阴极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流或脉冲。导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压UA决定。1.2晶闸管的关断条件是什么?如何实现?晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流IA减小，IA下降到维持电流IH以下时，晶闸管部建立的正反应无法进展。进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源
2、电压UA决定。1.3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以与正向转折电压和反向击穿电压如何变化？答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流IH会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。1.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？答：非正常导通方式有：(1) Ig=0，阳极电压升高至相当高的数值；(1) 阳极电压上升率du/dt过高；(3) 结温过高。1.5请简述晶闸管的关断时间定义。答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即。1.6试说明晶闸管有哪些派生器件？答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆
3、导晶闸管、光控晶闸管等。1.7请简述光控晶闸管的有关特征。答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。主要用于高压大功率场合。1.8型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管，使用在图题1.8所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量) 图题1.8答：a因为，所以不合理。(b) 因为, KP100的电流额定值为100，裕量达倍，太大了。c因为，大于额定值，所以不合理。1.9 图题1.9中实线局部表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为Im，试计算各图的电流平均值电流有效值和波形系数。 图题1
4、9解：图(a)： IT(AV)=IT=Kf=1.57图(b)： IT(AV)= ImIT=Kf=1.11图(c)： IT(AV)= ImIT= ImKf=1.26图(d)： IT(AV)=ImIT= ImKf=1.78图(e)： IT(AV)=IT=Kf=2.83图(f)： IT(AV)=IT=Kf=21.10上题中，如不考虑安全裕量，问额定电流100A的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少?解：(a)图波形系数为1.57，那么有： 1.57=1.57100A, IT(AV) = 100 A(b)图波形系数为1.11，那么有： 1.11=1.57100A, IT(AV)=141.4A(c)图波形
5、系数为1.26，那么有： 1.26=1.57100A,IT(AV)=124.6A(d)图波形系数为1.78，那么有： 1.78=1.57100A, IT(AV)=88.2A(e)图波形系数为2.83，那么有： 2.83=1.57100A, IT(AV)=55.5A(f)图波形系数为2，那么有： 2=1.57100A, IT(AV)=78.5A1.11某晶闸管型号规格为KP200-8D，试问型号规格代表什么意义?解：KP代表普通型晶闸管，200代表其晶闸管的额定电流为200A，8代表晶闸管的正反向峰值电压为800V，D代表通态平均压降为。1.12如图题1.12所示，试画出负载Rd上的电压波形(不
6、考虑管子的导通压降)。 图题1.12解：其波形如以下图所示：1.13在图题1.13中，假设要使用单次脉冲触发晶闸管T导通，门极触发信号触发电压为脉冲的宽度最小应为多少微秒设晶闸管的擎住电流IL=15mA？图题1.13 解：由题意可得晶闸管导通时的回路方程：可解得 ， =1要维维持持晶闸管导通，必须在擎住电流IL以上，即， 所以脉冲宽度必须大于150s。1.14单相正弦交流电源，晶闸管和负载电阻串联如图题1.14所示，交流电源电压有效值为220V。 (1)考虑安全余量，应如何选取晶闸管的额定电压？ (2)假设当电流的波形系数为Kf=2.22时，通过晶闸管的有效电流为100A，考虑晶闸管的安全余量
7、，应如何选择晶闸管的额定电流？图题1.14解：1考虑安全余量, 取实际工作电压的2倍 UT=2202622V, 取600V2因为Kf=2.22, 取两倍的裕量，那么：2IT(AV)得： IT(AV)=111(A) 取100A。1.15 什么叫GTR的一次击穿?什么叫GTR的二次击穿?答：处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE渐增大电压定额BUCEO时，集电极电流IC急剧增大雪崩击穿，但此时集电极的电压根本保持不变，这叫一次击穿。发生一次击穿时，如果继续增大UCE，又不限制IC，IC上升到临界值时，UCE突然下降，而IC继续增大负载效应，这个现象称为二次击穿。1.16怎样确定GTR的安全
8、工作区SOA?答：安全工作区是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限围。按基极偏量分类可分为：正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。正偏工作区又叫开通工作区，它是基极正向偏量条件下由GTR的最大允许集电极功耗PCM以与二次击穿功率PSB，ICM，BUCEO四条限制线所围成的区域。反偏安全工作区又称为GTR的关断安全工作区，它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE，电流IC限制界限所围成的区域。1.17 GTR对基极驱动电路的要什么？答：要求如下：1提供适宜的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断，2实现主电路与控制电路隔离，3自动保护功能，以便在故障发生时
9、快速自动切除驱动信号防止损坏GTR。4电路尽可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。1.18在大功率GTR组成的开关电路中为什么要加缓冲电路?答：缓冲电路可以使GTR在开通中的集电极电流缓升，关断中的集电极电压缓升，防止了GTR同时承受高电压、大电流。另一方面，缓冲电路也可以使GTR的集电极电压变化率和集电极电流变化率得到有效值抑制，减小开关损耗和防止高压击穿和硅片局部过热熔通而损坏GTR。1.19与GTR相比功率MOS管有何优缺点?答：GTR是电流型器件，功率MOS是电压型器件，与GTR相比，功率MOS管的工作速度快，开关频率高，驱动功率小且驱动电路简单，无二次击穿问题，安全工作区宽，并且输入
10、阻抗可达几十兆欧。但功率MOS的缺点有：电流容量低，承受反向电压小。1.20从结构上讲，功率MOS管与VDMOS管有何区别?答：功率MOS采用水平结构，器件的源极S，栅极G和漏极D均被置于硅片的一侧，通态电阻大，性能差，硅片利用率低。VDMOS采用二次扩散形式的P形区的N+型区在硅片外表的结深之差来形成极短的、可准确控制的沟道长度13、制成垂直导电结构可以直接装漏极、电流容量大、集成度高。1.21试说明VDMOS的安全工作区。答：VDMOS的安全工作区分为：1正向偏置安全工作区，由漏电源通态电阻限制线，最大漏极电流限制线，最大功耗限制线，最大漏源电压限制线构成。2开关安全工作区：由最大峰值漏极
11、电流ICM，最大漏源击穿电压BUDS最高结温IJM所决定。3换向安全工作区：换向速度一定时，由漏极正向电压UDS和二极管的正向电流的安全运行极限值IFM决定。1.22试简述功率场效应管在应用中的考前须知。答：1过电流保护，2过电压保护，3过热保护，4防静电。1.23与GTR、VDMOS相比，IGBT管有何特点?答：IGBT的开关速度快，其开关时间是同容量GTR的1/10，IGBT电流容量大，是同容量MOS的10倍；与VDMOS、GTR相比，IGBT的耐压可以做得很高，最大允许电压UCEM可达4500V，IGBT的最高允许结温TJM为150，而且IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具
12、有良好的温度特性；通态压降是同一耐压规格VDMOS的1/10，输入阻抗与MOS同。1.24下表给出了1200V和不同等级电流容量IGBT管的栅极电阻推荐值。试说明为什么随着电流容量的增大，栅极电阻值相应减小？电流容量A255075100150200300栅极电阻502515128.253.3答：对一定值的集电极电流，栅极电阻增大栅极电路的时间常数相应增大，关断时栅压下降到关断门限电压的时间变长，于是IGBT的关断损耗增大。因此，随着电流容量的增大，为了减小关断损耗，栅极电阻值相应减小。应当注意的是，太小的栅极电阻会使关断过程电压变化加剧，在损耗允许的情况下，栅极电阻不使用宜太小。1.25在SC
13、R、GTR、IGBT、GTO、MOSFET、IGCT与MCT器件中，哪些器件可以承受反向电压？哪些可以用作静态交流开关？答：SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT都可承受反向电压。SCR可以用作静态开关。1.26试说明有关功率MOSFET驱动电路的特点。通态压降低，通态电流大，但因器件有答：功率MOSFET驱动电路的特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。1.27试述静电感应晶体管SIT的结构特点。答：SIT采用垂直导电结构，沟道短而宽，适合于高电压，大电流的场合，其漏极电流具有负温度系数，可防止因温度升高而引起的恶性循环漏极电流通路上不存在PN结，一般不会发生热不稳定
14、性和二次击穿现象，其安全工作区围较宽,关断它需加10V的负栅极偏压UGS ,使其导通，可以加56V的正栅偏压+UGS，以降低器件的通态压降。1.28试述静电感应晶闸管SITH的结构特点。答：其结构在SIT的结构上再增加一个P+层形成了无胞结构。SITH的电导调制作用使它比SIT的通态电阻小，大量的存储电荷，其关断时间比SIT要慢，工作频率低。1.29试述MOS控制晶闸管MCT的特点和使用围。答：MCT具有高电压，大电流，高载流密度，低通态压的特点，其通态压降只有的左右，硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的，另外，可承受极高的di/dt和du/dt。使得其保护电路简化，的开关速度超过，
15、且开关损耗也小。1.30缓冲电路的作用是什么？关断缓冲与开通缓冲在电路形式上有何区别，各自的功能是什么？答：缓冲电路的作用是抑制电力电子器件的因过电压du/dt或者过电流di/dt,减少器件的开关损耗。缓冲电路分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路是对du/dt抑制的电路，用于抑制器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路是对di/dt抑制的电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。第2章 思考题与习题2.1 什么是整流？它与逆变有何区别？答：整流就是把交流电能转换成直流电能，而将直流转换为交流电能称为逆变，它是对应于整流的逆向过程
16、。2.2 单相半波可控整流电路中，如果：(1) 晶闸管门极不加触发脉冲；(2) 晶闸管部短路；(3) 晶闸管部断开；试分析上述三种情况负载两端电压ud和晶闸管两端电压uT的波形。答：1负载两端电压为0，晶闸管上电压波形与U2一样；2负载两端电压为U2，晶闸管上的电压为0；3负载两端电压为0，晶闸管上的电压为U2。2.3某单相全控桥式整流电路给电阻性负载和大电感负载供电，在流过负载电流平均值一样的情况下，哪一种负载的晶闸管额定电流应选择大一些?答：带大电感负载的晶闸管额定电流应选择小一些。由于具有电感，当其电流增大时，在电感上会产生感应电动势，抑制电流增加。电阻性负载时整流输出电流的峰值大些，在
17、流过负载电流平均值一样的情况下，为防此时管子烧坏，应选择额定电流大一些的管子。2.4某电阻性负载的单相半控桥式整流电路，假设其中一只晶闸管的阳、阴极之间被烧断，试画出整流二极管、晶闸管两端和负载电阻两端的电压波形。解：设=0，T2被烧坏，如以下图：2.5相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的Ud与Id的乘积是否等于负载有功功率，为什么?带大电感负载时，负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积是否等于负载有功功率，为什么?答：相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的平均功率不等于负载有功功率。因为负载上的电压、电流是非正弦波，除了直流Ud与Id外还有谐波分量和，负载上有功功率为。相控整流电路带大电感负
18、载时，虽然Ud存在谐波，但电流是恒定的直流，故负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积等于负载有功功率。2.6某电阻性负载要求024V直流电压，最大负载电流Id=30A，如采用由220V交流直接供电和由变压器降压到60V供电的单相半波相控整流电路，是否两种方案都能满足要求?试比拟两种供电方案的晶闸管的导通角、额定电压、额定电流、电路的功率因数与对电源容量的要求。解：采用由220V交流直接供电当时：Udo=0.45U2=0.45220 =99V由变压器降压到60V供电当时：Ud=0.45U2=0.4560 =27V因此，只要调节都可以满足输出024V直流电压要求。(1) 采用由220V交流直接供电时：，
19、Ud=24V时取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为622V和108A。电源提供有功功率 电源提供视在功率 电源侧功率因数 (2) 采用变压器降压到60V供电：，Ud=24V时,取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为168.8V和65.4A。变压器二次侧有功功率 变压器二次侧视在功率 电源侧功率因数 2.7某电阻性负载，Rd=50,要求Ud在0600V可调，试用单相半波和单相全控桥两种整流电路来供应，分别计算：(1) 晶闸管额定电压、电流值；(2) 连接负载的导线截面积(导线允许电流密度j=6Amm2)；(3) 负载电阻上消耗的最大功率。解：1单相半波时,晶闸管的最大电流有
20、效值 晶闸管额定电流为 IT(AV)12(A)晶闸管承受最大电压为 =1885V取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和30A。所选导线截面积为 负载电阻上最大功率2单相全控桥时,负载电流有效值 (Kf=1.11)晶闸管的额定电流为 IT(AV)6(A) IT=晶闸管承受最大电压为 =1885V取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和20A。所选导线截面积为 负载电阻上最大功率2.8 整流变压器二次侧中间抽头的双半波相控整流电路如图题2.8所示。(1) 说明整流变压器有无直流磁化问题?(2) 分别画出电阻性负载和大电感负载在=60时的输出电压Ud、电流i
21、d的波形，比拟与单相全控桥式整流电路是否一样。假设U2=220V，分别计算其输出直流电压值Ud。3画出电阻性负载=60时晶闸管两端的电压uT波形，说明该电路晶闸管承受的最大反向电压为多少?图题2.8解：1因为在一个周期变压器磁通增量为零，所以没有直流磁化。2其波形如以下图所示，与单相全控桥式整流电路一样。电阻性负载： 感性负载： (3)其波形如以下图所示，晶闸管承受的最大反向电压为。2.9带电阻性负载三相半波相控整流电路，如触发脉冲左移到自然换流点之前15处，分析电路工作情况，画出触发脉冲宽度分别为10和20时负载两端的电压 ud波形。解：三相半波相控整流电路触发脉冲的的最早触发时刻在自然换流
22、点，如触发脉冲左移到自然换流点之前15处，触发脉冲宽度为10时，不能触发晶闸管， ud=0。触发脉冲宽度为15时，能触发晶闸管，其波形图相当于=0时的波形。2.10 三相半波相控整流电路带大电感负载，Rd=10，相电压有效值U2=220V。求=45时负载直流电压Ud、流过晶闸管的平均电流IdT和有效电流IT，画出ud、iT2、uT3的波形。解：1.17因为：220V ，Ud=1.17=182Vud、iT2、uT3波形图如下所示：2.11 在图题2.11所示电路中，当=60时，画出以下故障情况下的ud波形。(1) 熔断器1FU熔断。 (2) 熔断器2FU熔断。(3) 熔断器2FU、3FU同时熔断
23、。图题2.11解：这三种情况下的波形图如下所示： (a)(b)(c)2.12现有单相半波、单相桥式、三相半波三种整流电路带电阻性负载，负载电流Id都是40A，问流过与晶闸管串联的熔断器的平均电流、有效电流各为多大?解：设单相半波：IdT=Id=40A (Kf=1.57)单相桥式：IdT=Id=20A三相半波：IdT=Id=13.3A当时 Ud=1.17UU=Ud/1.17时 2.13三相全控桥式整流电路带大电感负载，负载电阻Rd=4，要求Ud从0220V之间变化。试求：(1)不考虑控制角裕量时，整流变压器二次线电压。(2)计算晶闸管电压、电流值，如电压、电流取2倍裕量，选择晶闸管型号。 解：1
24、因为Ud=2.34U；不考虑控制角裕量，时2晶闸管承受最大电压为取2倍的裕量,URM=460.6V晶闸管承受的平均电流为IdT=Id又因为所以IdT=18.33A，取2倍的裕量IdTmax=36.67(A)选择KP505的晶闸管。2.14单结晶体管触发电路中，作为Ubb的削波稳压管两端如并接滤波电容，电路能否正常工作?如稳压管损坏断开，电路又会出现什么情况?答：在稳压管两端如并接滤波电容后，电路能否正常工作。如稳压管损坏断开，单结晶体管上峰值电压太高，不利于单结晶体管工作。2.15 三相半波相控整流电路带电动机负载并串入足够大的电抗器，相电压有效值U2=220V，电动机负载电流为40A，负载回
25、路总电阻为0.2，求当=60时流过晶闸管的电流平均值与有效值、电动机的反电势。解：电流平均值为：IdT=Id=40/3=13.3 电流有效值为：设电动机的反电势为ED，那么回路方程为：而 所以 2.16三相全控桥电路带串联Ld的电动机负载，变压器二次电压为100V，变压器每相绕组折合到二次侧的漏感L1为100H，负载电流为150A，求： (1)由于漏抗引起的换相压降； (2)该压降所对应整流装置的等效阻与=0时的换相重叠角。解：(1) (2)等效阻2.17 晶闸管装置中不采用过电压、过电流保护，选用较高电压和电流等级的晶闸管行不行?答：晶闸管装置中必须采用过电压、过电流保护，而不能用高电压、高
26、电流的晶闸管代替，因为在电感性负载装置中，晶闸管在开关断过程中，可能会出现过冲阳极电压，此时极易损坏晶闸管。当未采取过电流保护，而电路过载或短路时更易损坏晶闸管。2.18 什么是有源逆变？有源逆变的条件是什么？有源逆变有何作用？答：如果将逆变电路交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电，反送到电网上去称为有源逆变。有源逆变的条件：（1） 一定要有直流电动势，其极性必须与晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；（2） 变流器必须工作在的区域使Ud180如果采用窄脉冲触发，当下的电流下降为零，T2的门极脉冲已经消失而无法导通，然后T1重复第一周期的工作，这样导致先触发一
27、只晶闸管导通，而另一只管子不能导通，因此出现失控。5.2晶闸管相控直接变频的根本原理是什么？为什么只能降频、降压，而不能升频、升压？答：晶闸管相控直接变频的根本原理是：电路中具有一样特征的两组晶闸管整流电路反并联构成，将其中一组整流器作为正组整流器，另外为反组整流器，当正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；如果负组整流器工作，正组整流器被封锁，那么负载端得到输出电压上负下正，这样就可以在负载端获得交变的输出电压。晶闸管相控直接变频，当输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压数就越少，波形畸变严重。一般认为：输出上限频率不高于电网频率的。而当输出电压升高时，也会造成输出波
28、形畸变。因此，只能降频、降压，而不能升频、升压。5.3晶闸管相控整流电路和晶闸管交流调压电路在控制上有何区别？答：相控整流电路和交流调压电路都是通过控制晶闸管在每一个电源周期的导通角的大小相位控制来调节输出电压的大小。但二者电路结构不同，在控制上也有区别。相控整流电路的输出电压在正负半周同极性加到负载上，输出直流电压。交流调压电路，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管T1 、T2 或采用双向晶闸管T相联。当电源处于正半周时，触发T1 导通，电源的正半周施加到负载上；当电源处于负半周时，触发T2 导通，电源负半周便加到负载上。电源过零时交替触发T1、T2 ，那么电源电压全部加到负载。输出交流电
29、压。5.4交流调压和交流调功电路有何区别？答：交流调功能电路和交流调压电路的电路形式完全一样，但控制方式不同。交流调压电路都是通过控制晶闸管在每一个电源周期的导通角的大小相位控制来调节输出电压的大小。晶闸管交流调功能电路采用整周波的通、断控制方法，例如以n个电源周波为一个大周期，改变导通周波数与阻断周波数的比值来改变变换器在整个大周期输出的平均功率，实现交流调功。5.5一电阻炉由单相交流调压电路供电，如=0时为输出功率最大值，试求功率为80%，50%时的控制角。解：=0时为输出电压最大值 负载上最大电流为 输出最大功率 输出功率为80%时， ，而 故 输出功率为最大值的50%时， ，而 故 5.6一交流单相晶闸管调压器，用作控制从220V交流电源送至电阻为0.5，感抗为0.5的串联负载电路的功率。试求：（1） 控制角围；（2） 负载电流的最大有效值。解：(
