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电力电子技术学习指导及习题

电力电子技术学习指导及习题

课题一调光灯

调光灯在日常生活中的应用非常广泛，本课题通过对与调光灯电路相关的知识：

晶闸管、单相半波可控整流电路、单结晶体管触发电路等内容的介绍和分析。

使学生能够理解电路的工作原理，掌握分析电路的方法。

一、本课题学习目标与要求

1．掌握晶闸管的结构、外形及符号；晶闸管的导通、关断条件；理解晶闸管可控单向导电的含义。

2．了解晶闸管的工作原理及阳极伏安特性。

3．理解并记住晶闸管主要参数的定义；晶闸管型号及其含义；能根据电路参数选择晶闸管。

4．会分析单相半波可控整流电路（电阻性、电感性负载）输出电压ud、电流id和晶闸管两端电压uT的波形。

5．熟悉续流二极管的作用。

6．能计算单相半波可控整流电路（电阻性、电感性负载）下晶闸管可能承受的最大电压与流过晶闸管的电流有效值，正确选择晶闸管。

7．掌握主电路对触发电路的要求。

8．熟悉单结晶体管出发电路的工作原理、各环节组成及作用，并能通过实验进行调试，使之正常工作。

二、主要概念提示及难点释疑

1．晶闸管导通、关断条件

1）晶闸管导通条件：

阳极加正向电压、门极加适当正向电压。

注意：

阳极加正向电压是指阳极电位高于阴极电位，阳极电位可以是正也可以是负。

门极正向电压是指门极电位高于阴极电位。

2）关断条件：

流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。

可以通过降低晶闸管阳极－阴极间电压或增大主电路中的电阻。

2．晶闸管主要参数

1）额定电压：

用等级表示，选用管子时额定电压常常时实际工作时可能承受的最大电压的2～3倍。

2）额定电流

注意：

不同于通常电气元件以有效值来定义额定电流，而是以平均值来定义的。

选择管子时要用有效值相等原则即流过晶闸管实际电流的有效值等于（小于更好）管子的额定电流有效值。

3．单相半波可控整流电路工作原理及参数计算

1）几个名词术语和概念

控制角

：

控制角

也叫触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到触发脉冲出现之间的电角度。

导通角θ：

是指晶闸管在一周期内处于导通的电角度。

移相：

移相是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角

的大小。

移相范围：

移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。

2）分析工作原理、绘制输出电压ud波形时要抓住晶闸管什么时候导通、什么时候关断这个关键。

3）电感性负载时，理解输出负电压的原因。

关键是理解电感储存、释放能量的性质。

4）参数计算时要根据输出波形，应用电工基础中平均值、有效值的概念来推导计算公式。

5）续流二极管的作用：

使负载不出现负电压，提高输出电压。

4．单结晶体管触发电路

1）单结晶体管的伏安特性

图1－1单结晶体管伏安特性

（a）单结晶体管实验电路（b）单结晶体管伏安特性（c）特性曲线族

2）单结晶体管的自激振荡电路

（a）（b）

图1－2单结晶体管张驰振荡电路电路图和波形图

（a）电路图（b）波形图

3）单结晶体管触发电路

单结晶体管触发电路如图1－3所示。

由同步电路和脉冲移相与形成两部分组成的。

图1－3单结晶体管触发电路

三、学习方法

1．波形分析法：

波形分析法是整流电路以及触发电路的工作原理分析最有效的方法，读者要学会利用波形分析来分析电路工作原理。

2．分析计算法：

电路中各电量的计算要通过工作原理分析来推导。

3．对比法：

将电阻性负载和电感性负载以及电感性负载接续流二极管的电路对比分析。

4．理论联系实际法：

将理论波形和实际波形联系起来，对照分析。

5．讨论分析法：

读者要学习与他人讨论分析问题，并了解其他读者的学习方法和学习收获，提高学习效率。

四、典型题解析

例1晶闸管导通的条件是什么？

导通后流过晶闸管的电流由什么决定？

晶闸管的关断条件是什么？

如何实现？

晶闸管导通与阻断时其两端电压各为多少？

解：

晶闸管导通的条件是：

晶闸管阳极和阴极之间加正向阳极电压。

门极和阴极之间加适当的正向阳极电压。

导通后流过晶闸管的电流由主电路电源电压和负载大小决定。

晶闸管的关断条件是：

阳极电流小于维持电流。

关断晶闸管可以通过降低晶闸管阳极－阴极间电压或增大主电路中的电阻。

晶闸管导通时两端电压为通态平均电压（管压降），阻断时两端电压由主电路电源电压决定。

例2调试图1－4所示晶闸管电路，在断开负载Rd测量输出电压Ud是否可调时，发现电压表读数不正常，接上Rd后一切正常，请分析为什么？

图1－4例1－2图

解：

当S断开时，由于电压表内阻很大，即使晶闸管门极加触发信号，此时流过晶闸管阳极电流仍小于擎住电流，晶闸管无法导通，电流压表上显示的读数只是管子漏电流形成的电阻与电压表内阻的分压值，所以此读数不准。

在S合上以后，Rd介入电路，晶闸管能正常导通，电压表的读数才能正确显示。

例3画出图1－5所示电路电阻Rd上的电压波形。

图1－5习题1－3图

解：

例4说明晶闸管型号KP100-8E代表的意义。

解：

KP100-8E表示额定电流100A、额定电压8级（800V、通态平均电压组别E（0.7＜UT≤0.8）普通晶闸管。

例5晶闸管的额定电流和其他电气设备的额定电流有什么不同？

解：

由于整流设备的输出端所接负载常用平均电流来衡量其性能，所以晶闸管额定电流的标定与其他电器设备不同，采用的是平均电流，而不是有效值，又称为通态平均电流。

所谓通态平均电流是指在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170°电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。

例6型号为KP100－3、维持电流IH＝3mA的晶闸管，使用在图1－6所示的三个电路中是否合理？

为什么（不考虑电压、电流裕量）？

图1－6例1－6图

解：

（a）图的目的是巩固维持电流和擎住电流概念，擎住电流一般为维持电流的数倍。

本题给定晶闸管的维持电流IH＝3mA，那么擎住电流必然是十几毫安，而图中数据表明，晶闸管即使被触发导通，阳极电流为100V/50KΩ＝3mA，远小于擎住电流，晶闸管不可能导通，故不合理。

（b）图主要是加强对晶闸管型号的含义及额定电压、额定电流的理解。

本图所给的晶闸管额定电压为300A、额定电流100A。

图中数据表明，晶闸管可能承受的最大电压为311V，大于管子的额定电压，故不合理。

（c）图主要是加强对晶闸管型号的含义及额定电压、额定电流的理解。

晶闸管可能通过的最大电流有效值为150A，小于晶闸管的额定电流有效值1.57×100＝157A，晶闸管可能承受的最大电压150V，小于晶闸管的额定电压300V，在不考虑电压、电流裕量的前提下，可以正常工作，故合理。

例7某晶闸管元件测得UDRM＝840V，URRM=980V，试确定此晶闸管的额定电压是多少？

解：

根据将UDRM和URRM中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值，将两者较小的840V按教材表1－2取整得800V，该晶闸管的额定电压为8级（800V）。

例8有些晶闸管触发导通后，触发脉冲结束时它又关断是什么原因？

解：

晶闸管的阳极加正向电压，门极加正向触发脉冲时，晶闸管被触发导通。

此后阳极电流逐渐上升到擎住电流后，去掉触发脉冲，则管子继续导通，知道电流升到负载电流后，进入正常工作状态。

如果阳极电流还没有升到擎住电流值就去掉门极脉冲，则晶闸管就不能继续导通而关断。

例9某电阻性负载要求0～24V直流电压，最大负载电流Id＝30A，如用220V交流直接供电与用变压器降压到60V供电，都采用单相半波整流电路，是否都能满足要求？

试比较两种供电方案所选晶闸管的导通角、额定电压、额定电流值以及电源和变压器二次侧的功率因数和对电源的容量的要求有何不同、两种方案哪种更合理（考虑2倍裕量）？

解：

（1）采用220V电源直接供电，当

=0°时

Ud0＝0.45U2=99V

采用整流变压器降至60V供电，当

=0°时

Ud0＝0.45U2=27V

所以只要适当调节

角，上述两种方案均满足输出0～24V直流电压的要求。

（2）采用220V电源直流供电，因为

，其中在输出最大时，U2＝220V，Ud＝24V，则计算得

≈121°，θT＝180°－121°＝59°

晶闸管承受的最大电压为UTM＝

U2＝311V

考虑2倍裕量，晶闸管额定电压UTn=2UTM=622V

流过晶闸管的电流有效值是IT＝

，其中，

≈121°，

则IT＝84A

考虑2倍裕量，则晶闸管额定电流应为

因此，所选晶闸管的额定电压要大于622V，额定电流要大于107A。

电源提供的有功功率

电源的视在功率

电源侧功率因数

（3）采用整流变压器降至60V供电，U2＝60V，Ud＝24V，由

计算得

≈39°，θT＝180°－39°＝141°

晶闸管承受的最大电压为UTM＝

U2＝84.9V

考虑2倍裕量，晶闸管额定电压UTn=2UTM=169.8V

流过晶闸管的电流有效值是IT＝

考虑2倍裕量，则晶闸管额定电流应为

因此，所选晶闸管的额定电压要大于169.8V，额定电流要大于65.5A。

电源提供的有功功率

电源的视在功率

电源侧功率因数

通过以上计算可以看出，增加了变压器后，使整流电路的控制角减小，所选晶闸管的额定电压、额定电流都减小，而且对电源容量的要求减小，功率因数提高。

所以，采用整流变压器降压的方案更合理。

例10单相半波整流电路，如门极不加触发脉冲；晶闸管内部短路；晶闸管内部断开，试分析上述3种情况下晶闸管两端电压和负载两端电压波形。

解：

（1）晶闸管门极不加触发脉冲，即晶闸管呈阻断状态，可视作开路，所以输出电压和晶闸管两端电压波形如图1－7（a）所示。

（2）晶闸管内部短路，显然晶闸管两端电压为零，此时输出电压和晶闸管两端电压波形如图1－7（b）所示。

（3）晶闸管内部开路，输出电压和晶闸管两端电压波形如图1－7（c）所示。

图1－7例1－11波形图

例11单结晶体管张驰振荡电路是根据单结晶体管的什么特性组成工作的？

解：

单结晶体管张驰振荡电路是根据单结晶体管的负阻特性组成工作的。

五、本部分内容自我检测题

1．填空题

1）晶闸管对触发脉冲的要求是、和

。

2）单结晶体管产生的触发脉冲是脉冲；主要用于驱动　　　功率的晶闸管；3）普通晶闸管的图形符号是，三个电极分别是，和

4）晶闸管的导通条件是；关断条件是.。

5）从晶闸管开始承受正向电压起到晶闸管导通之间的电角度称为角，

用表示。

6）型号为KP100-8的元件表示管、它的额定电压为伏、额定电流为安。

7）给晶闸管阳极加上一定的电压；在门极加上电压，并形成足够的

电流，晶闸管才能导通。

8）由波形系数可知，晶闸管在额定情况下的有效值电流为ITn等于倍IT（AV），如果IT（AV）=100安培，则它允许的有效电流为安培。

通常在选择晶闸管时还要留出

倍的裕量。

2．判断题

1）给晶闸管加上正向阳极电压它就会导通。

（）

2）普通晶闸管额定电流的定义，与其他电气元件一样，是用有效值来定义的。

（）

3）用稳压管削波的梯形波给单结晶体管自激振荡电路供电，目的是为了使触发脉冲与晶闸管主电路实现同步。

（）

4）在单相半波整流电路中，晶闸管的额定电压应取U2。

（）

5）KP2—5表示的是额定电压200V，额定电流500A的普通型晶闸管。

（）

3．选择题

1）单相半波可控整流电阻性负载电路中，控制角α的最大移相范围是。

A、90°             B、120°            C、150°            D、180°

2）某型号为KP100-10的普通晶闸管工作在单相半波可控整流电路中，晶闸管能通过的电流有效值为。

A、100A             B、157A            C、10A            D、15.7A

3）单相半波可控整流电路，晶闸管两端承受的最大电压为。

A、U2B、2U2C、

D、

4）单结晶体管触发电路输出的触发信号是。

A、

B、C、

D、

4．问答题

1）由下面单结晶体管的触发电路图画出①②③④各点波形。

2）晶闸管触发的触发脉冲要满足哪几项基本要求？

3）单相半波可控整流电路，如

（1）晶闸管内部短路，

（2）晶闸管内部开路，在下面的坐标中画出其直流输出电压Ud和晶闸管两端电压UT的波形。

4）画出单结晶体管自激震荡电路的电路图，并画出电容两端电压与输出电压波形。

5．计算题

1）单相半波可控整流电路，大电感负载接续流二极管，已知U2＝220V，R＝10Ω，要求输出整流电压平均值为0～30V连续可调，试求控制角的范围，选择晶闸管额定电压和额定电流。

六、自我检测题答案

1．填空题

1）要有足够的驱动功率、触发脉冲前沿要陡幅值要高、触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。

2）尖脉冲、小

3）阳极A、阴极K、门极G；

4）阳极和阴极加正向电压，门极接正向电压形成了足够门极电流时晶闸管导通；当晶闸管阳极电流小于维持电流IH时，导通的晶闸管关断。

5）控制角、α。

6）普通晶闸管、800V、100A

7）正向，正向门极，门极触发

8）1.57；157；1.5—2

2．判断题

1）×2）×3）√4）×5）×

3．选择题

1）A2）B3）C4）A

4．问答题

1）

2）A:

触发信号应有足够的功率。

B：

触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。

C：

触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。

3）

4）

5．计算题

1）

2）控制角范围是113º～180º。

额定电压622V（2倍裕量）、额定电流1.23A（1.5倍裕量）。

课题二电风扇无级调速器

电风扇无级调速器在日常生活中的应用非常广泛，本课题通过对与电路相关的知识：

双向晶闸管、单相交流调压、交流开关等内容的介绍和分析。

使学生能够理解电路的工作原理，掌握分析电路的方法。

一、本课题学习目标与要求

1．分析单相交流调压电路

二、主要概念提示及难点释疑

1．交流调压电路

（1）单相交流调压电路电感性负载时，要用宽脉冲触发晶闸管，否则在

＜

（负载功率因数角）时，会使一个晶闸管不能导通，负载波形只有半周，出现很大的直流分量，电路不能正常工作。

（2）单相交流调压电路电阻性负载时，移相范围是

=0°~180°，而电感性负载时，移相范围是

=

~180°

（3）交流功率调节容量较大时，应采用三相交流调压。

三相交流调压电路接线方式及性能特点见教材。

（4）交流调压可以采用移相触发也可以采用过零触发来实现。

过零触发就是在电压为零附近触发晶闸管导通，在设定的周期内改变晶闸管导通的频率树来实现交流调压或调功率。

四、典型题解析

例1在交流调压电路或交流开关中，使用双向晶闸管有什么好处？

解：

双向晶闸管不论是从结构上，还是从特性上，都可以把它看作是一对反并联晶闸管集成元件。

它只有一个门极，可用交流或直流脉冲触发，使之能正、反向导通。

在交流调压电路或交流开关中使用双向晶闸管可以简化电路、减小装置体积和质量、节省投资、方便维护。

例2双向晶闸管额定电流的定义和普通晶闸管额定电流的定义有何不同？

额定电流为100A的两只普通晶闸管反并联可以用额定电流为多少的双向晶闸管代替？

解：

双向晶闸管的额定电流用有效值表示，而普通晶闸管的额定电流是用平均值表示的。

额定电流100A的普通晶闸管，其通过电流的峰值为100A×π=314A，则双向晶闸管的额定电流为314/

=222A。

例3一台220V/10kW的电炉，采用单相交流调压电路，现使其工作在功率为5kW的电路中，试求电路的控制角α、工作电流以及电源侧功率因数。

解：

电炉是电阻性负载。

220V、10kW的电炉其电流有效值应为

要求输出功率减半，即

值减小1/2，故工作电流应为

输出功率减半，即

值减小1/2，则α=90°

功率因数cosφ=00.707

例4图3－1单相交流调压电路，U2＝220V，L=5.516mH，R＝1Ω，试求：

1）控制角α的移相范围。

2）负载电流最大有效值。

3）最大输出功率和功率因数。

图3－1例3－4图

解：

1）单相交流调压电感性负载时，控制角α的移相范围是

所以控制角α的移相范围是60°~π。

2）因α=

时，电流为连续状态，此时负载电流最大。

3）最大功率

五、自我检测题

1．填空题

1）型号为KS100-8的元件表示晶闸管、它的额定电压为伏、额定有效电流为安。

2）在单相交流调压电路中，负载为电阻性时移相范围是，负载是阻感性时移相范围是。

3）双向晶闸管的图形符号是，三个电极分别是，和

；

2问答题

1）交流调压电路中，晶闸管常用哪些方式控制？

2）单相交流调压电路中，对于电阻-电感负载，为什么晶闸管的触发脉冲要用宽脉冲或脉冲列？

3）三相交流调压电路有哪些接线方式，各有什么特点？

六、自我检测题答案

1．填空题

1）双向晶闸管、800V、100A。

2）

，

，

3）第一阳极T1，第二阳极T2，门极G

2．问答题

1）交流调压电路中的晶闸管常用两种方式控制：

（1）相位控制。

在电源电压的每一周期，在选定的时刻将负载与电源接通，改变选定时刻即可达到调压的目的。

（2）通断控制。

将晶闸管作为开关，使负载与电源接若干周波，然后再断开一定的周波，通过改变通断的时间比达到调压的目的。

3）见教材。

课题四三开关电源

开关电源是一种高效率、高可靠性、小型化、轻型化的稳压电源，是电子设备的主流电源。

广泛应用于生活、生产、军事等各个领域。

各种计算机设备、彩色电视机等家用电器等都大量采用了开关电源。

本课题介绍了开关电源的相关知识：

开关器件（电力晶体管、电力场效应晶体管）、DC/DC变换电路、开关状态控制电路以及软开关技术。

一、本课题学习目标与要求

1．掌握开关电源主要器件（大功率晶体管GTR、功率场效应晶体管MOSFET）的工作原理和特性。

2．掌握DC/DC变换电路的基本概念和工作原理。

3．了解PWM控制电路的基本组成和工作原理。

4．熟悉PWM控制器集成芯片。

5．了解软开关的基本概念。

二、主要概念提示及难点释疑

1．电力晶体管

在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。

晶体管通常连接称共发射极电路，NPN型GTR通常工作在正偏（Ib>0）时大电流导通；反偏（Ib<0）时处于截止高电压状态。

因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关工作状态。

2．电力场效应晶体管

当D、S加正电压（漏极为正，源极为负），UGS=0时，D、S之间无电流通过；如果在G、S之间加一正电压UGS，当UGS大于某一电压UT时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

电压UT称开启电压或阀值电压，UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流越大。

3．DC/DC变换电路

DC/DC变换电路是将一种直流电源变换为另一种直流电源的电力电子装置。

常见的DC/DC变换电路有非隔离型电路、隔离型电路和软开关电路。

（1）降压斩波电路

降压斩波电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的电路。

输出电压平均值为

式中k为斩波器的占空比

（2）升压斩波电路

升压斩波电路的输出电压总是高于输入电压。

输出电压平均值为

（3）升降压斩波电路

升降压斩波电路可以得到高于或低于输入电压的输出电压。

输出电压为：

上式中，若改变占空比k，则输出电压既可高于电源电压，也可能低于电源电压。

由此可知，当0

当1/2

（4）正激电路

在输出滤波电感电流连续的情况下

如果输出电感电路电流不连续，输出电压

将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，

。

（5）反激电路

当工作于电流连续模式时，

反激电路不应工作于负载开路状态。

（6）半桥电路

当滤波电感L的电流连续时，有

如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，

。

（7）全桥电路

当滤波电感L的电流连续时，有

如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，

。

（8）推挽电路

当滤波电感L的电流连续时，有

如果输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式中的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，

。

4．开关状态控制电路

开关状态的控制方式主要有占空比控制和幅度控制两大类。

占空比控制又包括脉冲宽度控制和脉冲频率控制两大类。

目前，集成开关电源大多采用PWM控制方式。

5．软开关技术

在原有硬开关电路的基础上增加一个很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关开通前电压先降为零，这样就可以消除开程中电压、电流重叠的现象，降低、甚至消除开关损耗和开关噪声，这种电路称为软开关电路。

具有这样开关过程的开关称为软开关。

三、学习方法

1．对比法。

电力晶体管和电力场效应晶体管的学习要对照模拟电子技术中所学的晶体管和场效应管，其结构、工作原理、特性以及参数都类似。

2．讨论分析法：

读者要学习与他人讨论分析问题，并了解其他读者的学习方法和学习收获，提高学习效率。

四、典型题解析

例1降压式斩波电路，输入电压为27V±10%，输出电压为15V，求占空比变化范围；

解：

降压斩波电路输出电压

，则

，则

，则

例2升压式斩波电路，输入电压为27V±10%，输出电压为45V，输出功率为750W，效率为95%，若等效电阻为R=0.05Ω。

（1）求最大占空比；

（2）如果要求输出60V，是否可能？

为什么？

解：

输入电流的平均值为

设Ii为理想的常值，则

（1）当

取最小值时，k为最大值

（2）如果要求输出电压60V，此时占空比为

理论上说明此电路是可以输出60V电压的。

例3有一降压斩波电路，U=120V，负载电阻R=6Ω，开关周期性通断，通30μs，断20μs，忽略开关导通压降，电感L足够大。

试求：

（1）负载电流及负载上的功率。

（2）若要求负载电流在4A时仍能维持，则电感L最小应取多大？

（此小题选做）

解：

依据题意，开关通断周期T=50μs

占空比

（1）负载电压的平均值

负载电流的平均值

负载功率的平均值

（2）设占空比不变，当负载电流为4A时，处于临界连续状态，则电感量L为

五、自我检测题

1.填空题

1）请在正确的空格内标出下面元件的简称：

电力晶体管　；功率场效