电力电子变流技术 全本书课后答案

第一章电力半导体器件习题与思考题解1-1．晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？解：晶闸管导通的条件是：阳极承受正向电压，处于阻断状态的晶闸管，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。门极所加正向触发脉冲的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流，即擎住电流ＩＬ以上。导通后的晶闸管管压降很小。使导通了的晶闸管关断的条件是：使流过晶闸管的电流减小至某个小的数值－维持电流ＩＨ以下。其方法有二：１）减小正向阳极电压至某一最小值以下，或加反向阳极电压；２）增加负载回路中的电阻。1-2．型号为KP100-3的晶闸管，维持电流IH=4mA，使用在题1-2图中的电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？解：根据机械工业部标准JB1144-75规定，ＫＰ型为普通闸管，KP100-3的晶闸管，其中100是指允许流过晶闸管的额定通态平均电流为100A，3表示额定电压为300V。对于图(a)，假若晶闸管V被触发开通，由于电源为直流电源，则晶闸管流过的最大电流为mAIV2105001003因为IVIH，而IHIL，IL为擎住电流，通常IL=(2~4)IH。可见，晶闸管流过的最大电流远小于擎住电流，所以，图(a)不合理。对于图(b)，电源为交流220V，当α=0°时，最大输出平均电压9922045.045.02UUd（Ｖ）平均电流9.91099RUdVARI(A)波形系数57.1VARVfIIK所以，ＩＶ＝Kf。ＩＶＡＲ＝1.57×9.9＝15.5(A)而KP100-3允许流过的电流有效值为IVE＝1.57×100＝157(A)，ILIVIVE，所以，电流指标合理。但电路中晶闸管Ｖ可能承受的最大正反向峰值电压为31122022UUURmFm(V)300(V)所以，图(b)不满足电压指标，不合理。对于图(c)，电源为直流电源，Ｖ触发导通后，流过Ｖ的最大电流为IV＝150／1＝150(A),即为平均值，亦是有效值。而IVE＝150A，IV＝150(A)157（A），即ILIVIVE,所以电流指标合理。同时，晶闸管承受的正向峰值电压为150V，小于300V，电压指标合理。所以图(c)合理。1-3．在题图1-3电路中，E=50V，R=0.5Ω，L=0.5H，晶闸管擎住电流为15mA。要使晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？解：晶闸管导通后，主回路电压方程为ERidtdiLdd主电路电流di按下式由零上升LtRdeREi/1晶闸管要维持导通，id必须上升达到擎住电流值以上，在此期间，门极脉冲应继续维持，将Id=15mA代入，得3101515.050te取tet1，t≥150μs。所以，门极触发电流脉冲宽度至少应大于150μs。1-4．单相正弦交流电源，交流电源电压有效值为220V。晶闸管和负载电阻串联连接。试计算晶闸管实际承受的最大正反向电压。若考虑晶闸管的安全裕量，其额定电压应如何选取？解：该电路运行可能出现施加于晶闸管上最大正反向峰值电压为31022022U（V）若考虑晶闸管的安全裕量，通常选择额定电压为正常工作峰值电压的2－3倍。２×310＝620(V),3×310＝930(V),则选择额定电压为700V～1000V的晶闸管。1-5．若题1-4中晶闸管的通态平均电流为100A，考虑晶闸管的安全裕量，试分别计算导电角为180°和90°时，电路允许的峰值电流各是多少？解：在不考虑安全裕量时，选择晶闸管的原则是：使实际运行管子电流的有效值IV1等于定义管子额定通态平均电流时的电流有效值IVE，即两种情况下，管芯的结温相同并小于或等于额定结温。当导通角θ＝180°时，2sin21021mmVItdtII则有Im/2＝1.57IVEAR所以，晶闸管允许的峰值电流为Ｉm=2×1.57×100＝314（Ａ）当导通角θ＝90°时，22sin21221mmVItdtII则有VEARmII57.122所以，晶闸管允许的峰值电流为44410057.122Im(A)考虑取安全裕量数为2时，则当导通角θ＝180°时，电路允许的峰值电流为Im1=314／2＝157Ａ，当导通角θ＝90°时，电路允许的峰值电流为Ｉm2＝444／2＝222(A).1-6.题1-6图中阴影部分表示晶闸管导电区间。各波形的电流最大值均为Im,试计算各波形电流平均值Id1、Id2、Id3、Id4、Id5，电流有效值I1、I2、I3、I4、I5和它们的波形系数Kf1、Kf2、Kf3、Kf4、Kf5.解：0132.0.21mmmdIIttdSinIImmmIItdtSinII5.022102157.1211dfeIIK3224.043.21mmmdIIttdSinIImmItdtSinII46.02132292.123.049.02mmfIIK32348.0232.22mmdmdIIIttdSinIImmIItdtSinII65.0222232335.148.065.0333mmdfIIIIK20425.0422.21mmmmdIIIdtIImmmIIdtII5.02212024242444mmdfIIIIK405125.0842.21mmmmdIIIdtIImmmIIdtII35.02221402583.2822445mmdfIIIIK1-7．题1-6中如果不考虑安全裕量，问100A晶闸管能送出的电流平均值Id1、Id2、Id3、Id4、Id5各是多少？这时相应的电流最大值Im1、Im2、Im3、Im4、Im5又是多少？解：额定通态平均电流IVEAR为100A的晶闸管允许通过电流的有效值为AkfIeVEARVEI15757.11001利用上题结果，图(a)AIIVEmI157211则Im1=314(A)AImdI10014.33141图（b）AIIVEmI15746.02则Im２=341(A)AImdI8.8124.02图(c)AIIVEmI15765.03则Im３=241(A)AImdI9.11548.03图(d)AIIVEmI1575.04则Im４=314(A)AImdI5.7825.04图(e)AIIVEmI1572215则Im5=444(A)AImdI5.558444851-8．晶闸管的额定电流是怎样定义的？有效值和平均值之间有何关系？解：晶闸管的额定电流即指其额定通态平均电流ＩVEAR.它是在规定的条件下，晶闸管允许连续通过工频正弦半波电流的最大平均值。如教材图1-8所示。这些条件是：环境温度+４０℃，冷却条件按规定，单相半波整流电路为电阻负载，导通角不小于170℃，晶闸管结温不超过额定值。额定通态平均电流ＩVEAR的电流等级如教材表１－２所示。通常50Ａ以下的管子分为1、5、10、20、30、50Ａ等级，100－1000Ａ的管子分为100、200、300、400、500、600、800、1000Ａ等级。额定通态平均电流ＩVEAR与在同一定义条件下的有效值IVE具有如下关系：VEARfeVEIKI.其中，57.12VEARVEfeIIK为定义条件下的波形系数。1-9．导通角θ不同，电流的波形不一样，如何来选择晶闸管的电流容量？解：导通角θ不同，电流的波形不一样，因而波形系数亦不相同，θ角愈小，波形系数愈大。晶闸管电流的有效值、平均值ＩV1AR与波形系数Kf1具有如下关系：IV1=Kf1ＩV1AR具有相同平均值而波形不同的电流，因波形不同，其有效值是不相同的。流经同一晶闸管发热情况也不相同，因为决定发热的因素是电流的有效值，管芯发热效应是和电流的有效值大小有关。因此，选择晶闸管额定电流参数的原则是：使电路各种实际运行情况下（特别是最不利的情况）管芯的结温小于或等于额定结温。这样，就能保证晶闸管在实际运行工作时，不致于因电流过载而损坏。上述这一原则可归结为：使实际运行管子电流波形的有效值ＩV1，等于定义管子额定通态平均电流ＩVEAR时的电流有效值IVE，即VEARfeVEVIKII.1则晶闸管额定电流57.111VfeVVEARIKII1-10．晶闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，会发生什么情况？解：晶闸管承受正向阳极电压，并已导通的情况下，门极就失去了控制作用。因此，晶闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，晶闸管将保持导通状态不变。1-11．门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压它会导通吗？若真的导通，是什么情况？解：门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压，有两种情况可造成晶闸管的非正常导通。一是阳极电压UA过高，达到或超过IG＝０时的转折电压UB0时，使漏电流急剧增加；二是UA的电压上升率duA／dt太快。这两种因素造成的最终结果都是使从N1区通过反向偏置的J2结向P2区（门极区）注入了足够数量的漏电流（空穴流），充当了二等效三极管电路中的基极电流IB2，它相当于从门极提供的IG的作用，使其二等效三极管的α1、α2极快上升至α1＋α2≈１，即1-(α1＋α2)≈０，进而使阳极电流IA大大增加，并只受外电路电阻的限制，晶闸管进入导通状态。这两种不加门极触发控制信号使晶闸管从阻断状态转入导通状态的情况是非正常工作状态，在实际使用中是不允许的，因为发生此类情况常造成器件的损坏。1-12．晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点是什么？解：晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点如下：(1).快速晶闸管快速晶闸管的开关时间短，动态特性比普通晶闸管好，快速晶闸管一般分为两种，一种是主要是关断时间短，另一种是di／dt是耐受量高。主要用于斩波与高频逆变电路。(2)。双向晶闸管双向晶闸管是一种五层结构的三端器件，具有四种触发方式，分别为Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+、Ⅲ=，其中Ⅰ+、Ⅰ-触发灵敏度较高，Ⅲ_触发灵敏度稍低，较为常用，而Ⅲ+触发灵敏度最低，一般不用，使用不当会损坏晶闸管。双向晶闸管主要用于交流电路，例如移相调压控制、零电压开关和静态开关等。由于其内部工艺结构关系，目前器件的额定电压和额定电流与普通晶闸管相比较还较低，重施加du／dt的能力也较差。(3)。逆导晶闸管逆导晶闸管是将逆阻型晶闸管和大功率二极管集成在一个管芯上，与普通晶闸管相比，具有正向压降小、关断时间短、温度特性较好、额定结温高等优点。同时，消除了晶闸管与二极管之间的连线电感，减小了换流时间，使晶闸管承受反向偏压的时间增长，提高了换流能力。而且减少了装置的元件数目，缩小了体积，提高了经济性能。主要适用于逆变电路和斩波电路。(4).可关断晶闸管（ＧＴＯ）可关断晶闸管ＧＴＯ（GateTurn-offThyristor）既可用门极正脉冲信号控制其导通，又可用门极负脉冲信号控制其关断的逆阻型三端器件。与普通晶闸管相比，ＧＴＯ快速性好，工作频率高，控制方便，其最高耐压容量目前稍逊于普通晶闸管。ＧＴＯ与普通晶闸管的关断机理不同，有两个重要的特征参数需要特别注意，分别为最大可关断电流ＩＡＴＯ和电流关断增益βoff。其定义分别为最大可关断电流ＩＡＴＯ：表征用门极负脉冲控制信号可关断的最大阳极电流，它是用来表征ＧＴＯ容量大小的参数。电流关断增益βoff：电流关断增益的定义为阳极电流ＩＡ与使其关断所需的最小门极电流ＩＧmin的比值，即minGAoffII通常ＧＴＯ的βoff只有５左右，但是，ＧＴＯ的导通或关断只需一个窄脉冲电流即可，它需要的是瞬时功率，尽管关断时需要较大的负门极电流，但平均功率较小。因此，ＧＴＯ的平均激励功率，比相同容量的大功率晶体管小。1-13．何谓功率晶体管的开关特性？用图描述它的开关过程。功率晶体管的开关