哈工大电力电子作业 910章.docx

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哈工大电力电子作业910章

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电力电子技术基础

作业（9-10章）

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覃敏亮

第9章电力电子器件应用的共性问题

P206,9-1；

电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。

采用性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作在比较理想的开关状态,可缩短开关时间,减少开关损耗,对装置的运行效率、可靠性和安全性都有着重要意义。

另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就将近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。

9-3；

晶闸管触发电路应满足下列要求：

1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管的可靠导通；

2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达到1-2A/US。

3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠出发区域之内。

4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

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。

9-6。

答:

缓冲电路又称为吸收电路，可以分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。

关断缓冲电路又称为du/dt抑制电路，开通缓冲电路又称为di/dt抑制电路。

将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，称为复合缓冲电路。

还可以分类方法：

缓冲电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，则被称为耗能式缓冲电路；如果缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或者电源，则被称为馈能式缓冲电路，或称为无损吸收电路。

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,du/dt或过电流和di/dt,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,Cs经Rs放电,Rs起到限制放电电流的作用;关断时,负载电流经VDs从Cs分流,使du/dt减小,抑制过电压。

补充：

1.关于全控型器件的关断缓冲电路，解答下列问题：

1）关断缓冲电路的主要作用是什么？

2）画出IGBT的RCD缓冲电路的配置图，并分析RCD缓冲电路的工作原理及其中各组件的作用。

3）结合图9－1说明有、无RCD缓冲电路时，IGBT器件关断时分别应按照那条电压电流线（工作点轨迹）转移？

标出转移的方向，并说明理由。

图9－1关断时的电压电流轨线

4）IGBT的正向安全工作区是如何定义的？

在图9－1中画出安全工作区的大致范围，并结合安全工作区和工作点转移轨迹说明缓冲电路的作用。

答：

1）抑制关断时由线路电感产生的感应电动势抑制损耗。

2）

工作原理：

V关断时，L上产生的感应电动势，能经Cs，Vds，负载释放能量，给Cs充电

Cs作用：

抑制过电压

Vds作用：

提供充电回路，减小损耗

Rs作用：

提供放电电路

3）

有RCD缓冲电路时，按ADC转移；无RCD缓冲电路时，按ABC转移

关断前的工作点在A点，无缓冲电路时，Uce迅速上升，在负载上的感应电压使许留二极管VD开始导通，负载线从A移动到B，之后ic才开始下降到漏电流的大小，负载线随之移动到C。

有缓冲电路时，由于Cs的分流使ic在Uce开始上升的同时就下降，因此负载线经过D达到C。

4）

安全工作区：

根据最大集电极电流，最大集射间电压和最大集电极功耗可以确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围

如图斜线区为安全工作的大致范围。

负载线打到B时已经超出安全工作区，使V收到损坏，而负载线ADC是安全的，即有缓冲电路时更安全。

而且，ADC经过的都是小电流，小电压区域，器件的关断损耗也比无缓冲电路时大大降低。

2.画出SCR、GTO、GTR、电力MOSFET和IGBT理想驱动信号的波形，并结合器件的特性分析为什么上述波形是理想的驱动信号的波形？

SCR：

Im的强脉冲幅值为最大触发电流的3-5倍，保证晶闸管

可靠开启。

t1-t2为脉冲上升时间，小于1us，使脉冲前

沿有足够的陡度。

t2-t3强脉冲时间，强脉冲需要持续一

段时间，保证晶闸管能保持t3-t4脉冲平顶时间，保证触

发后能持续导通。

GTO:

GTO对脉冲前沿的幅值和陡度要求很高，且一般需在整个

导通期间施加正门极电流，使GTO关断需施加负门极电流，

对其幅值和陡度的要求更高。

GTR:

与GTO类似，只是导通时间的脉冲前沿陡度没有GTO要求

高。

关断时前沿陡度也没有GTO要求高。

电力MOSFET：

MOSFET需要较快的正向驱动电压，关断时也需要

一定幅值负驱动电压。

IGBT：

与MOSFET类似，只是正驱动电压较高，关断时，负驱动

电压较快。

3.图9-2（a）、9-2（b）和9-2（c）分别是哪种电力电子器件的典型驱动电路？

并简述理由。

分别说明每个驱动电路中放大环节和隔离环节是如何实现的。

图9-2（a）图9-2（b）

图9-2（c）

解：

（a）为晶闸管驱动电路，因为驱动电路没有提供负脉冲环节，只有晶闸管不需要控制其关断

（b）为GTR驱动电路，GTR需要工作在临界饱和状态，而VD2就起到抗饱和作用

（c）为电力MOSFET驱动电路，无条件饱和检测和保护环节，有稳定的正偏和反偏电压

（a）中放大环节由V2，V3构成放大环节，TM构成隔离环节

（b）中V2,V3构成放大环节，光耦合实现电气隔离

（c）中V2构成放大环节，光耦合实现电气隔离

第10章电力电子技术的应用

P237,10-8;

UPS是指当交流输入电源发生异常或断电时,还能继续向负载供电,并能保证供电质量,使负载供电不受影响的装置,即不间断电源。

图10-16为用柴油发电机作为后备电源的UPS,其工作原理为:

一旦市电停电,则蓄电池投入工作,同时起动油机,由油机代替市电向整流器供电,整流后再通过逆变器逆变为50Hz恒频恒压的交流电向负载供电广市电恢复正常后,再重新由市电供电。

因为蓄电池只作为市电与油机之间的过渡,柴油发电机作为后备电源,所以此系统可保证长时间不间断供电。

10-9；

线性电源功率器件工作在线性状态,也就是说他一用起来功率器件就是一直在工作,所以也就导致他的工作效率低,一般在50%~60%。

开关电源，他的功率器件工作在开关状态,（一开一关,一开一关,频率非常快,一般的平板开关电源频率在100~200KHz,模块电源在300～500KHZ）这样他的损耗就小,效率也就高。

10-10；

提高开关电源的工作频率会使变压器，电容，电感体积减小，会使期间开关损耗增加

补充：

1.桥式DC－DC变换电路如图10－1所示，负载为直流电动机，采用双极型PWM控制方式时，将电机处于正向电动状态时的电压、电流方向定义为正方向。

假设电机处于正向电动的轻载运行状态，电机电流较小且在一个开关周期内正负交变，完成下题：

1）设此时占空比为0.6，画出开关器件V1～V4驱动信号的波形

2）与上面驱动波形相对应，画出负载上电压uo和电流io的波形

3）在此基础上结合电流波形说明：

在一个开关周期的不同区段上负载电流的路径，以及在该区段内电机的瞬时工作状态。

图10－1

2.在1题基础上，假设电机运行处于反向电动工作状态下，此时E＝300V，EM＝－100V，

R＝2Ω，L足够大（使电机电流平直连续），Io＝－10A，且电机处于稳态。

完成下题：

1）求开关器件V1的控制占空比。

2）画出开关器件V1～V4驱动信号的波形。

（高电平为闭合，低电平为断开）

3）与上面的驱动波形相对应，画出负载电压uo的波形、开关器件V1的电流iV1和V2的电流iV2的波形，以及二极管VD1的电流iVD1和VD2的电流iVD2的波形。

3.在1题基础上，假设电机运行处于反向制动工作状态，此时E＝300V，R＝2Ω，L足够大（使电机电流平直连续），电机的制动电流为10A。

在制动过程中，当EM＝－100V时，完成下题：

1）求开关器件V1的控制占空比。

2）画出开关器件V1～V4驱动信号的波形

3）与上面驱动波形相对应，画出负载电压uo的波形、开关器件V1的电流iV1和V2的电流iV2的波形，以及二极管VD1的电流iVD1和VD2的电流iVD2的波形。

4.图10－2为反并联的晶闸管变流器,正/反两组变流电路都采用三相桥式晶闸管变流电路，负载为直流电动机。

对电动机而言定义正向电动时的反电势和电流方向为正方向，对每组变流电路而言定义整流时输出电压的方向为正方向。

回答下列问题：

1）电机反向电动时，哪组变流电路工作？

工作于整流方式还是逆变方式，并简述理由。

2）电机反向制动时，哪组变流电路工作?

工作于整流方式还是逆变方式，并简述理由。

3）设电网线电压VLL＝380V，50Hz，负载中电枢电阻R＝2Ω，与电机串联的平波电抗器足够大，使电机电流平直连续。

假设电机处于正向电动状态，稳态时反电势EM＝200V，电枢电流被控制为Io＝10A。

分析此时哪组变流器工作？

求工作变流器的控制角α，并画出此时变流器输出电压的波形。

4）在3）给出的电路参数下，假设电机处于正向制动状态，电枢电流被控制为Io＝－10A，当反电势EM＝200V时，说明此时哪组变流器工作？

求工作变流器的控制角α，并画出此时变流器输出电压的波形。

图10－3

1）反组变流电路工作，工作在整流状态

因为电机反向电动即工作在第2象限，所加电压与电枢电流均有参考方向，只有反组能产生负电压。

根据电流参考方向，判断其工作在整流状态。

2）正组变流电路工作，工作在逆变状态

因为电机反向制动工作在第四象限，所加电压为负，电枢电流为正，故应为正组变流电路工作在逆变状态

3）

4）

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