电力电子技术答案归纳 第五版

第二章电力电子器件....................................................................................1第三章整流电路...........................................................................................5第四章逆变电路.........................................................................................19第七章PWM控制技术...............................................................................21第九章电力电子器件应用的共性问题..........................................................251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使得它具有耐受高电压和大电流的能力？答：电力二极管大都是垂直导电结构，使硅片中通过电流的有效面积增大，可显著提高通流能力；在P和N区之间多了一层低掺杂N区即漂移区，可承受高电压不致击穿；虽然漂移区具有高电阻率不利于正向导通，但可通过电导调制效应来解决。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：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：uAK0且uGK0。另外在其它条件下，比如阳极电压过高产生雪崩效应，阳极电压上升率过高，结温较高，光直接照射硅片，也可能使晶闸管导通。2-3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。2-4图2-27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。图2-27晶闸管导电波形解：a)baddt)t(fTI112mmmmdI.)(ItcosI)t(tdsinII271702212221441mmmmmIItItdtItdtII4767.021432)2sin41421(2)(22cos12)()sin(214442221b)mmdmmmmdI.I..IIII.)(ItcosI)t(tdsinII6741047670732122543402211121244c)mmdI)t(dII2034121mmI)t(dII212120232-5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，由上题计算结果知AI.I)AV(FF157571a)AIIm35.3294767.01Id10.2717Im189.48Ab)AIIm90.2326741.02,Id20.5434Im2126.56Ac)Im3=2I=314A,Id3=41Im3=78.5A三相桥式电路，,230,,8.02VULRl，工作于逆变状态，6,290VED，设电流连续，计算：（1）输出电流平均值；（2）输出电流有效值；（3）晶闸管电流有效值；（4）交流电源端功率因数。3解：VUUdl2696cos23035.1cos35.12RDIIAREUdId不考虑,3.268.0269290AIIAIdIT4.1533.2633.26827.055.807.7cos1055.83.26230221007.73.262906.268.032322VAIUSVAEdIdIRPld2-6GTO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内部有数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，且阴极和门极在器件内部并联在一起，这种多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间距离大为缩短，使得P2基区的横向电阻很小，使从门极抽出较大的电流成为可能；从等效电路原理上讲，设计时2较大，V2控制灵敏，使得GTO易于关断；05121.接近于临界饱和，没有晶闸管饱和程度深，有利于门极控制关断。多元集成结构还使得比普通晶闸管开能快，承受电流变化率能力更强。2-7与信息电子电路中的MOSFET相比，电力MOSFET具有怎样的结构特点才具有耐受高电压和大电流的能力？答：MOSFET驱动电路简单、驱动功率小；开关速度快、工作频率高；但容量低、耐压低，10KW以下。采用垂直导电结构和多元集成结构，还有一个漂移区来承受高电压，但无电导调制效应，因而通态电阻大，通态压降高，通态损耗大。2-8试分析IGBT和电力MOSFET在内部结构和开关特性上的相似与不同之处？IGBT比VDMOSFET多一层p+注入区，形成面积很大的P+N结，可实现对漂移区电导率进行调制，具有很强的通流能力；而后者总存在高耐压和低通态电阻的矛盾。其开通和关断过程与MOSFET相似。同时，电导调制效应也带来了少子储存现象，因而IGBT开关速度要低于MOSFET。二者的开关过程都受到主回路结构、控制方式、缓冲电路及主电路寄生参数等条件的影响，必须在实际电路设计时加以考虑。42-9宽禁带半导体材料做成的电力电子器件有哪些方面的优越性？答：宽禁带是指3电子伏特以上的半导体材料如碳化硅、氮化镓、金刚石等材料。比硅有高得多的临界雪崩击穿电场强度和载流子饱和漂移速度、较高的热导率和相差不大的载流子迁移率。因而耐压高、通态电阻低、导热好热稳定性好，在耐高温和射线辐射方面的性能成数量级的提高。这些器件可能成为将来的发展方向。2-10电力电子集成技术可带来哪些益处？功率集成电路与集成电力电子模块实现集成的思路有何不同？答：模块化是电力电子器件研制和开发的一个趋势。功率模块是按拓扑结构将主回路的电力电子器件集成在一个模块中，可降低成本、缩小体积和提高可靠性，对于工作频率较高的电路还可大大减小线路电感，从而减少对保护和缓冲电路的要求。如IGBT模块、晶闸管模块。功率集成电路比功率模块集成度更高。它是将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上。有几种名称：强调器件和电路集成电路在一个芯片上称为单片集成。而高压集成电路是将横向高压器件和控制电路的单片集成。智能功率集成电路指纵向功率器件与控制电路的单片集成。难点在于高低压电路之间的绝缘及温升和散热的有效处理。主要用于小功率的场合。所谓封装集成是将不同模块和电路通过专门设计的引线或导体连接起来，它避开了上述技术难题。功率集成电路与集成电力电子模块实现集成的思路的不同：前者是将所有的东西都集成于一个芯片当中（芯片集成），而后者则是将一系列的器件集成为一个模块来使用（封装集成）。2-11试列举你所知道的电力电子器件，并从不同角度对这些电力电子器件进行分类，目前常用的全控型电力电子器件有哪些？答:电力二极管及其派生器件；晶闸管及其派生器件；GTO/GTR/电力MOSFET/IGBT等①.按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：不可控器件：电力二极管及其派生器件半控型器件：晶闸管及其派生器件全控型器件：GTO/GTR/电力MOSFET/IGBT等②按照驱动电路信号的性质，分为两类：电流驱动型:晶闸管及其派生器件/GTO/GTR等电压驱动型：电力MOSFET/IGBT等③按照驱动信号的波形（电力二极管除外）脉冲触发型：晶闸管及其派生器件电平控制型：GTO/GTR/电力MOSFET/IGBT等5④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：单极型器件：电力MOSFET、肖特基势垒二极管等双极型器件：电力二极管/GTO/GTR/等复合型器件：电力MOSFET/IGBT等目前小功率场合使用电力MOSFET，中等功率使用IGBT，大功率场合使用晶闸管或GTO第三章整流电路3-1单相半波可控整流电路对电感负载供电，L=20mH，U2=100V，求当时和时的负载电流Id，并画出Ud与Id波形。解：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的一个周期中下列方程成立：考虑到初始条件：当时id=0可解方程：Ud与Id的波形如下图：0600tUdtdiLdsin220t）－（＝tcos1LU2I2d20d)(dtcos1LU221It）－（)(51.22U22AL6当a=时，在U2的正半周期~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~期间释放，因此在U2的一个周期中~期间，下列微分方程成立：考虑到初始条件：当时id=0可解方程得：id=其平均值为Id=此时Ud与id的波形如下图：3-2图1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:①晶闸管承受的最大反向电压为2U2;②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流电路，该变压器没有直流磁化问题。因为单相全波可控整流电路变压器二次侧绕组中，在正负半周上下绕组中的电流方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不存在直流磁化的问题。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。①以晶闸管VT2为例。当VT1导通时，晶闸管VT2通过VT1与2个变压606018018030060300tUdtdiLdsin2260t)cos2122tdtU－（35322)(25.11L2U2)()cos21(221AtdtLU＝27器二次绕组并联，所以VT2承受的最大电压为2U2。②当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角α相同时，对于电阻负载：(0~α)期间无晶闸管导通，输出电压为0；(α~π)期间,单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VTl、VT4导通，输出电压均与电源电压U2相等；(π~π+α)期间均无晶闸管导通，输出电压为0；(π+α~2π)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：(π~π+α)期间，单相全波电路中VTl导通，单相全控桥电路中VTl、VT4导通，输出电压均与电源电压U2相等；(π+α~2π+α)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单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，当α=30°时，要求：①作出Ud、Id、和I2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①Ud、Id、和I2的波形如下图：②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=0.9U2cosα=0.9×100×cos30°＝77.97VId＝Ud/R=77.97/2=38.99AI2=Id=38.99(A)③晶闸管承受的最大反向电