完整版电力电子技术王兆安第五版课后习题全部答案.docx
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完整版电力电子技术王兆安第五版课后习题全部答案
电力电子技术
2-1与信息电子电路中的二极管对比，电力二极管拥有如何的构造特色才使得其拥有耐受高压和大电流的能力？
答：
1.电力二极管多数采纳垂直导电构造，使得硅片中经过电流的有效面积增大，明显提升了二极管的通流能力。
2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低混杂N区，也称漂移区。
低混杂N区因为混杂
浓度低而靠近于无混杂的纯半导体资料即本征半导体，因为混杂浓度低，低混杂N区就能够承
受很高的电压而不被击穿。
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：
晶闸管蒙受正朝阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：
uAK>0且uGK>0。
2-3.保持晶闸管导通的条件是什么？
如何才能使晶闸管由导通变成关断？
答：
保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，即保持电流。
要使晶闸由导通变成关断，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靠近于零的某一数值以下，即降到保持电流以下，即可使导通的晶闸管关断。
2-4图2-27中暗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均匀值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。
1
4Imsin（
t）
Im（
2
1）
0.2717Im
解：
a）
Id1
2
2
2
=
1
（Imsin
t）2d（wt）
Im
3
1
I1=
2
4
2
4
2
1
Imsin
td（wt）
Im（
2
1）
0.5434Im
b）
Id2=
4
2
2
1
（Imsin
t）2d（wt）
2Im
3
1
I2=
4
2
4
2
1
2Imd（
t）
1Im
c）
Id3=2
0
4
1
2Im2d（
t）
1Im
I3=
2
0
2
2-5上题中假如不考虑安全裕量
问100A的晶阐管能送出的均匀电流Id1、Id2、Id3各为多少?
这时，相应的电流最大值I
m1
、I
、I
m3
各为多少?
m2
解：
额定电流IT（AV）=100A的晶闸管，同意的电流有效值
I=157A,由上题计算结果知
1
I
a）
Im1
Id1
m1
A,
I
232.90A,
0.5434Im2
126.56A
b）
Im2
Id2
c）
Im3=2I=314
1Im3
Id3=4
2-6GTO和一般晶闸管同为
PNPN构造,为何GTO能够自关断,而一般晶闸管不可以?
答：
GTO和一般晶阐管同为
PNPN构造，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2，
分别拥有共基极电流增益
1和
2，由一般晶阐管的剖析可得，
1
21是器件临界导通的条
件。
12＞1
两个等效晶体管过饱和而导通；
12＜1不可以保持饱和导通而关断。
GTO之所以能够自行关断，而一般晶闸管不可以，是因为
GTO与一般晶闸管在设计和工艺方
面有以下几点不同：
l）GTO在设计时
2较大，这样晶体管V2
控制敏捷，易于GTO关断；
2）GTO导通时1
2的更靠近于l，一般晶闸管
12，而GTO则为1
21.05，GTO
的饱和程度不深，靠近于临界饱和，这样为门极控制关断供给了有益条件；
3）多元集成
构造使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2极区所谓的横向电阻很小，进而使从门极抽出较大的电流成为可能。
2-7与信息电子电路中的二极管对比，电力二极管拥有如何的构造特色才使得它拥有耐受高电压电流的能力？
答1.电力二极管多数采纳垂直导电构造，使得硅片中经过电流的有效面积增大，明显提升了二极管的通流能力。
2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低混杂N区，也称漂移区。
低混杂N区因为混杂
浓度低而靠近于无混杂的纯半导体资料即本征半导体，因为混杂浓度低，低混杂N区就能够承
受很高的电压而不被击穿。
2-8试剖析IGBT和电力MOSFET在内部构造和开关特征上的相像与不同之处
IGBT比电力MOSFET在反面多一个P型层，IGBT开关速度小，开关消耗少拥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。
电力MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳固性好。
所需驱动功率小且驱动电路
简单，工作频次高，不存在二次击穿问题。
IGBT驱动电路的特色是:
驱动电路拥有较小的输出电阻，ⅠGBT是电压驱动型器件，IGBT
的驱动多采纳专用的混淆集成驱动器。
电力MOSFET驱动电路的特色：
要求驱动电路拥有较
小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。
2-11目前常用的全控型电力电子器件有哪些？
答：
门极可关断晶闸管,电力晶闸管，电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管。
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α＝0和60时
的负载电流Id，并画出ud与id波形。
解：
α＝0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
通时辰，负载电流为零。
在电源电压
u2的负半周期，负载电感
L开释能量，晶闸管持续导通。
所以，在电源电压u2的一个周期里，以下方程均建立：
did
2U2sin
t
L
dt
考虑到初始条件：
当
t＝0
时id＝0可解方程得：
id
2U
2（1
cost）
L
2
Id
1
2
2U
2
（1cost）d（t）
2
=
2U
2
=22.51（A）
L
ud与id的波形以下列图：
u2
02t
ud
02t
id
02t
当α＝60°时，在u2正半周期60~180时期晶闸管导通使电感L储能，电感L储蓄的能量在u2负半周期180~300时期开释，所以在u2一个周期中60~300时期以下微分方程建立：
did
2U2sint
L
dt
考虑初始条件：
当
d
2U2
1
t＝60时i＝0
可解方程得：
id
（cost）
L
2
其均匀值为Id
1
5
2U2
1
2U2
3
（
=11.25（A）
cost）d（t）=
2
3
L2
2L
此时ud与id的波形以下列图：
u2
++
0t
ud
++
t
id
t
3-2．图3-10为拥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晶闸管蒙受的最大反向电压为22U2；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：
拥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测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反，波形对称，其一个周期内的均匀电流为零，故不会有直流磁化的问题。
以下剖析晶闸管蒙受最大反向电压及输出电压和电流波形的状况。
①以晶闸管VT2为例。
当VT1导通时，晶闸管VT2经过VT1与2个变压器二次绕组并联，
所以VT2蒙受的最大电压为22U2。
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，关于电阻负载：
（0~α）
时期无晶闸管导通，输出电压为0；（α~π）时期，单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中
3
VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压u2相等；（π~π＋α）时期，均无晶闸管导通，输出电压为0；（π＋α~2π）时期，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。
关于电感负载：
（α~＋πα）时期，单相全波电路中
VT1导通，单相全控桥电路中
VT1、VT4
导通，输出电压均与电源电压u2相等；（π＋απ＋α）时期，单相全波电路中
VT
2
导通，单相
全控桥电路中VT2、
~2
2。
VT
3导通，输出波形等于
u
可见，二者的输出电压相同，加到相同的负载上时，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求整流输出均匀电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；③考虑安全裕量，确立晶闸管的额定电压和额定电流。
解：
①ud、id、和i2的波形以下列图：
u2
Ot
ud
O
t
id
Id
t
O
Id
i2
O
t
②输出均匀电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值
I2
分别为
Ud＝0.9U2
cosα＝0.9×100×cos30°＝（V）
I＝U
/R＝＝（A）
d
d
I2＝Id＝（A）
③晶闸管蒙受的最大反向电压为：
2
U2＝100
2＝（V）
）
考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：
UN＝（
）×
＝
（
2~3
283~424V
详细数值可按晶闸管产品系列参数选用。
流过晶闸管的电流有效值为：
IVT＝
I
d∕
2＝
（
）
晶闸管的额定电流为：
IN＝（
27.57A
（
）
）×
∕＝
1.5~2
1.5726~35A
详细数值可按晶闸管产品系列参数选用。
3-4．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蒙受的电压波形。
解：
注意到二极管的特色：
蒙受电压为正即导通。
所以，二极管蒙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，沟通电源电压由晶闸管均衡。
整流二极管在一周内蒙受的电压波形以下：
u2
02t
uVD2
0t
uVD4
0t
3-5．单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当=30时，要求：
作出ud、id和i2的波形；
①求整流输出均匀电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2；
4
②考虑安全裕量，确立晶闸管的额定电压和额定电流。
解：
①ud、id和i2的波形以下列图：
u2
O
t
ud
O
t
i
Id
d
O
Id
t
i2
Id
O
t
②整流输出均匀电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值
I2分别为
Ud＝0.9U2cosα＝0.9×100×cos30°＝77.97（A）
Id＝（Ud－E）/R＝－60）/2＝9（A）
I2＝Id＝9（A）
③晶闸管蒙受的最大反向电压为：
2U2＝100
2＝（V）
流过每个晶闸管的电流的有效值为：
IVT＝
I
d∕2＝
（
）
故晶闸管的额定电压为：
UN＝
A
（2~3）
×
＝
（
）
283~424V
晶闸管的额定电流为：
IN＝（1.5~2）
×6.36∕＝（A）
晶闸管额定电压和电流的详细数值可按晶闸管产品系列参数选用。
3-6.晶闸管串连的单相半控桥（桥中VT1、VT2为晶闸管），电路如图2-11所示，U2=100V，
电阻电感负载，R=2Ω，L值很大，当
=60时求流过器件电流的有效值，并作出
ud、id、iVT、
iD的波形。
解：
ud、id、iVT、iD的波形以下列图：
u2
O
t
ud
O
t
id
Id
iVT1O
Id
t
O
Id
t
iVD2
O
t
负载电压的均匀值为：
Ud
1
2U2sin
td（
t）
0.9U21
cos（
/3）＝（V）
3
2
负载电流的均匀值为：
Id＝Ud∕R＝67.52∕2＝（A）
流过晶闸管VT1、VT2的电流有效值为：
IVT＝
1
Id＝（A）
3
流过二极管VD、VD
4
的电流有效值为：
I
VD
＝
I＝（A）
3
2d
3
3-7.在三相半波整流电路中，假如
a相的触发脉冲消逝，试绘出在电阻性负载和电感性负
载下整流电压ud的波形。
解：
假定
0，当负载为电阻时，u的波形以下：
d
5
ua
ub
uc
ud
O
t
ua
ub
uc
ud
O
t
d
的波形以下：
当负载为电感时，u
ua
ub
uc
ud
O
t
ua
ub
uc
ud
O
t
3-8．三相半波整流电路，能够将整流变压器的二次绕组分为两段成为波折接法，每段的电动势相同，其分段部署及其矢量如图2-60所示，此时线圈的绕组增添了一些，铜的用料约增添10%，问变压器死心能否被直流磁化，为何？
ABC
C
N
n
B
N
A
a
b
c
c2
1
1
1
c1
a2
b2
c2
n
a
a1
2
b1
b2
图2-60
图2-60变压器二次绕组的波折接法及其矢量图
答：
变压器死心不会被直流磁化。
原由以下：
变压器二次绕组在一个周期内：
当a1c2对应的晶闸管导通时，a1的电流向下贱，c2的电流向上流；当c1b2对应的晶闸管导通时，c1的电流向下贱，b2的电流向上流；当b1a2对应的晶闸管导通时，b1的电流向下贱，a2的电流向上流；就变压器的一次绕组而言，每一周期中有两段时间（各为120）由电流流过，流过的电流大小相等而方向相反，故一周期内流过的电流均匀值为零，所以变压器死心不会被直流磁化。
3-9．三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相的自然换相点是同一点吗？
假如不是，它们在相位上差多少度？
答：
三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相之间换相的的自然换相点不是
同一点。
它们在相位上相差180°。
3-10．有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，假如它们
a
的触发角都是
，那么共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，比如都是
相，在相位上差多少度？
答：
相差180°。
3-11．三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当
=60
时，要求：
画出ud、id和iVT1的波形；计算Ud、Id、IdT和IVT。
6
u2
=30°
ub
uc
ua
Ot
uduaubuc
Ot
iVT1
O
id
O
解：
①ud、id和iVT1的波形以下列图：
②Ud、Id、IdT和IVT分别以下Ud＝2cos
t
t
＝1.17×100×cos60°＝（V）
Id＝Ud∕R＝58.5∕5＝（A）
IdVT＝Id∕3＝11.7∕3＝.9（A）
IVT＝Id∕3＝（A）
3-12．在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，假如有一个晶闸管不可以导通，此时的整流电
压ud波形如何？
假如有一个晶闸管被击穿而短路，其余晶闸管受什么影响？
答：
假定VT1不可以导通，整流电压ud波形以下：
ud
O
t
假定VT1被击穿而短路，则当晶闸管
3
或VT
5
导通时，将发生电源相间短路，使得
3
VT5也可能分别被击穿。
VT
VT、
3-13．三相桥式全控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当
=60
时，要求：
①画出ud、id和iVT1的波形；
②计算Ud、Id、IdT和IVT。
解：
①ud、id和iVT1的波形以下：
=60
°
ub
uc
u
ua
2
t1
t
O
uab
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
ⅣⅤⅥ
uac
ubc
uba
ucaucbuabuac
ud
Ot
id
Ot
iVT1
Ot
②Ud、Id、IdT和IVT分别以下
7
Ud＝2cos＝×100×cos60°＝117（V）
Id＝Ud∕R＝117∕5＝（A）
IDVT＝Id∕3＝∕3＝（A）
IVT＝Id∕3＝∕3＝（A）
3-14．单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，
当=60时求Ud、Id与的数值，并画出整流电压ud的波形。
解：
考虑LB时，有：
Ud＝2cosα－Ud
Ud＝2XBId∕π
Id＝（Ud－E）∕R
解方程组得：
Ud＝（π2cosα＋2XBE）∕（πR＋2XB）＝（V）
Ud＝（V）
Id＝（A）
又∵
cos
－cos（
）＝
2
2IdXB∕U
即得出
cos（60）
换流重叠角
＝61.33°60°=1.33°
最后，作出整流电压Ud的波形以下：
u2
Ot
ud
Ot
3-15．三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，
U2=100V，R=1Ω，L=∞，LB=1mH，
求当
=30时、E=50V时Ud、Id、
的值并作出ud与iVT1和iVT2的波形。
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