29《电力电子技术》(第4版王兆安)课后习题解

第页2王兆安《电力电子技术》（第4版）课后习题解第1章电力电子器件1.1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，并在门极注入正向触发电流。1.2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流大于能保持晶闸管导通的最小电流（即维持电流），即HAII。要使晶闸管由导通变为关断，可通过外加反向阳极电压或减小负载电流的办法，使流过晶闸管的电流降到维持电流值以下，即HAII。1.3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mI。试计算各波形的电流平均值1dI，2dI，3dI与电流有效值1I，2I，3I。解：a）mmmdIItdtII2717.0)122(2)()(sin2141mmmIItdtII4767.021432)()sin(21421b）mmmdIItdtII5434.0)122()()(sin142mmmIItdtII6471.0214322)()sin(1422c）20341)(21mmdItdIImmItdII21)(2120231.4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1dI、2dI、3dI各为多少？这时，相应的电流最大值1mI、2mI、3mI各为多少？解：额定电流AIAVT100)(的晶闸管，允许的电流有效值AI157，由上题计算结果知：a）AIIm35.3294767.01AIImd48.892717.011b）AIIm90.2326741.02AIImd56.1265434.022c）AIIm31423AIImd5.7841331.5GTO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和普通晶阐管同为PNPN结构，由211PNP和221NPN构成两个晶体管1V、2V，分别具有共基极电流增益1和2，由普通晶阐管的分析可得，121是器件临界导通的条件。121＞两个等效晶体管过饱和而导通；121＜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图1-43晶闸管导电波形第页3不同：1）多元并联集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，2P区的横向电阻很小，显著减小了横向压降效应，从而使从门极抽出较大的电流成为可能；2）GTO导通时21的更接近于1，普通晶闸管5.121，而GTO则为05.121，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；而且GTO在设计时2较大，这样晶体管2V控制灵敏，易于GTO关断；3）GTO的3J结的反向击穿设计得较高，使得允许在门极和阴极间施加较高的反向驱动电压，不仅可以进一步削弱横向压降效应，而且可以加速GTO体内非平衡载流子经门极回路泄放的过程。1.6如何防止电力MOSFET因静电感应引起的损坏？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±20V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：①一般在不用时将其三个电极短接；②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；③电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高；④漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。1.7IGBT、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，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。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MOSFET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。1.8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，dtdv或过电流和dtdi，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，SC经SR放电，SR起到限制放电电流的作用；关断时，负载电流经SVD从SC分流，使dtdv减小，抑制过电压。1.9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：器件优点缺点IGBT开关速度快，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；存在擎住效应问题。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单，工作频率高，不存在二次击穿问题。通态电阻大，通态损耗大，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。1.10什么是晶闸管的额定电流？答：晶闸管的额定电流就是它的通态平均电流，国标规定：晶闸管在环境温度为40℃和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温所允许的最大工频正弦半波电流的平均值。1.11为什么要限制晶闸管断电电压上升律dtdv？答：晶闸管在承受正向阳极电压阻断状态下，2J结反偏，其结电容在晶闸管端电压上升率dtdv过大时，就会流过较大的充电电流（称位移电流），此位移电流流过3J，起到相当于触发电流的作用，易使晶闸管误触第页4发导通，所以要限制dtdv。1.12为什么要限制晶闸管通态电流上升率dtdi？答：在晶闸管开始导通时刻，若电流上升速度过快，会有较大的电流集中在门极附近的阴极小区域内，虽然平均电流没有超过额定值，但在小的区域内局部过热而损坏晶闸管，所以要限制通态dtdi。1.13电力电子器件工作时产生过电压的原因及防止措施有哪些？答：产生原因：分闸、合闸时产生的操作过电压；雷击引起的雷击过电压；晶闸管换相过程中产生的换相过电压。防止措施：压敏电阻；交流侧RC过电压抑制电路；直流侧RC过电压控制电路；变压器加屏蔽层；避雷器；器件关断缓冲电路等。第2章整流电路2..1单相半波可控整流电路对电感负载供电，mHL20，VU1002，求当0时和60时的负载电流dI，并画出du与di波形。解：0时，在电源电压2u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2u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2u的一个周期里，以下方程均成立：tUdtdiLdsin22考虑到初始条件：当0t时0di可解方程得：)cos1(22tLUid202)()cos1(221tdtLUId)(51.2222ALUdu与di的波形如下图：当60时，在2u的正半周期60～180期间，晶闸管导通使电惑L储能，电感L储藏的能量在2u负半周期180～300期间释放，因此在2u的一个周期中60～300期间，以下微分方程成立：tUdtdiLdsin22考虑到初始条件：当60t时0di可解方程得：)cos21(22tLUid第页5其平均值为3532)()cos21(221tdtLUId)(25.11222ALU此时du与di的波形如下图：2.2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：①晶闸管承受的最大反向电压为222U；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的问题。因为单相全波可控整流电路变压器二次侧绕组中，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。①以晶闸管2VT为例。当1VT导通时，晶闸管2VT通过1VT与2个变压器二次绕组并联，所以2VT承受的最大电压为222U。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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1VT导通，单相全控桥电路中1VT、4VT导通，输出电压均与电源电压2U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2VT导通，单相全控桥电路中2VT、3VT导通，输出电压等于2U。对于电感负载；)~(期问，单相全波电路中1VT导逼，单相全控桥电路中1VT、4VT导通，输出电压均与电源电压2U相等；)2~(期间，单相全波电路中2VT导通，单相全控桥电路中2VT、3VT导通，输出波形等于2U。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。2.3单相桥式全控整流电路，VU1002，负载中20R，L值极大，当30时，要求：①作出du、di和2i的波形；②求整流输出平均电压dU、电流dI，变压器二次电流有效值2I；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①du、di和2i的波形如下图：第页6②输出平均电压dU、电流dI，变压器二次电流有效值2I分别为)(97.7730cos1009.0cos9.02VUUd)(99.38297.77ARUIdd)(99.382AIId③晶闸管承受的最大反向电压为：)(4.141100222VU考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：)(424~2834.141)3~2(VUN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：)(57.272AIIdVT晶闸管的额定电流为：)(35~2657.157.27)2~5.1(AIN具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。2.4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：2.5单相桥式全控整流电路，VU1002，负载20R，L值极大，反电势VE60，当时，要求：①作出du、di和2i的波形；②求整流输出平均电压dU、电流dI，变压器二次电流有效值2I；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：①du、di和2i的波形如下图：第页7②整流输出平均电压dU、电流dI，变压器二次测电流有效值2I分别为：)(92)6097.77()(AREUIdd)(92AIId③晶闸管承受的最大反向电压为：)(4.141100222VU流过每个晶闸管的电流的有效值为：)(36.62AIIdVT故晶闸管的额定电压为：)(424~2834.141)3~2(VUN晶闸管的额定电流为：)(8~657.136.6)