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1、电力电子技术第二版课后习题及解答电力电子技术习题及解答第1 章 思考题与习题1.1晶闸管的导通条件是什么 ? 导通后流过晶闸管的电流和 负载上的电压由什么决定 ?答：晶闸管的导通条件是： 晶闸管阳极和阳极间施加正向电压， 并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲） 。导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定， 负载上电压由输入 阳极电压 UA 决定。1.2晶闸管的关断条件是什么 ? 如何实现 ? 晶闸管处于阻断 状态时其两端的电压大小由什么决定 ?答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流 Ia减小，1a下降到维持 电流Ih以下时，晶闸管内部

2、建立的正反馈无法进行。 进而实现晶闸 管的关断，其两端电压大小由电源电压 *决定。1.3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反 向漏电流随温度升高而增大， 维持电流Ih会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小1.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？答：非正常导通方式有：（1） I g=0,阳极电压升高至相当高的 数值； 阳极电压上升率du/dt过高；（3）结温过高。1.5请简述晶闸管的关断时间定义。答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即

3、 tq二trr tgr。1.6试说明晶闸管有哪些派生器件？答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。1.7请简述光控晶闸管的有关特征。答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极 管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电 触发电流使晶闸管幵通。主要用于高压大功率场合。1.8型号为KP100-3，维持电流 W=4mA的晶闸管，使用在图 题1.8所示电路中是否合理，为什么 ？（暂不考虑电压电流裕量）图题1.8答：（a）因为=2m： Ih，所以不合理。5OK0 H（b）因为|A二200/ =20A, KP100 的电流额定值为 100100A，裕量达5倍，太大

4、了(c)因为I A =150V =150A，大于额定值，所以不合理。1Q1.9图题1.9中实线部分表示流过晶闸管的电流波形， 其最大值均为Im,试计算各图的电流平均值.电流有效值和波形系数。解:图：、1 兀 I mt(av)=I m sin co td (co t)=2兀2 I(I msin ，t) d( ，t)二2I T=Kf=匚=1.57IT(AV)图题1 . 9图(b):t(av)=丄 I m sin，td (，t) = ImJII T=石(ImSin tfd 伸 t)二朋图(c):T(AV)=丄TtKf= J=1.11I T(AV)I T=二(Imsin t)* 2d( t)3Im 3

5、 8 0-63ImKf=ItI T(AV)=1.26图（d）T(AV)=-1 m sin ，td (，t)=兀 2(sin t) df t)3:0.52I mKf =J=1.781 T(AV)图1匸町门.04Imd(7 =It=袪杠 m2dt) =Im2.2&=丄=2.83I T(AV)图（f）1T(Av)= 2 Imd(t) =71I T=21蔦航（t）=Kf=-=2I T(AV)1.10上题中，如不考虑安全裕量，问额定电流 100A的晶闸管 允许流过的平均电流分别是多少 ？解：（a）图波形系数为 1.57，则有:1.57 It（av）=1.57 100A ,I T(AV) = 100 A(

6、b)图波形系数为 1.11 ,则有：1.11 It(av)=1.57 100A ,I T(AV) =141.4A(c)图波形系数为 1.26，则有：1.26 It(av)=1.57 100A ,I T(AV) =124.6A(d)图波形系数为 1.78，则有：1.78 It(av)=1.57 100A ,I t(av) =88.2A(e)图波形系数为2.83，则有：2.83 1丁他)=1.57 100A,I T(AV) =55.5A(f)图波形系数为2，则有：2 It(av)=1.57 100A ,I t(av) =78.5A1.11某晶闸管型号规格为 KP200-8D，试问型号规格代表什么意

7、义？解：KP代表普通型晶闸管，200代表其晶闸管的额定电流为 200A，8代表晶闸管的正反向峰值电压为 800V, D代表通态平均压降为 0.6V : UT :：: 0.7V。1.12 如图题1.12所示，试画出负载Rd上的电压波形(不考虑 管子的导通压降)图题1.12解：其波形如下图所示：1.13在图题1.13中，若要使用单次脉冲触发晶闸管 T导通，门极触发信号(触发电压为脉冲)的宽度最小应为多少微秒(设晶闸 管的擎住电流h=15mA)？图题1.13解：由题意可得晶闸管导通时的回路方程： L% Ri EdtE 丄 l可解得 iA = (1 e )， 弋=1R R要维维持持晶闸管导通，iA(t

8、)必须在擎住电流Il以上，即t -150 10 =150七， 所以脉冲宽度必须大于 150U S O1.14单相正弦交流电源，晶闸管和负载电阻串联如图题 1.14所示，交流电源电压有效值为 220V。(1)考虑安全余量，应如何选取晶闸管的额定电压？若当电流的波形系数为 Kf=2.22时，通过晶闸管的有效电 流为100A，考虑晶闸管的安全余量，应如何选择晶闸管的额定电 流？解：（1）考虑安全余量，取实际工作电压的2倍UT=220 2 , 2 : 622V, 取 600V（2）因为Kf=2.22, 取两倍的裕量，贝心21 T（AV） 2.22 100A得： I t（av）= 111（A） 取 10

9、0A。图题1.141.15什么叫GTR的一次击穿？什么叫GTR的二次击穿？ 答：处于工作状态的GTR当其集电极反偏电压 UCe渐增大电压 定额BUCe。时，集电极电流Ic急剧增大（雪崩击穿），但此时集电极 的电压基本保持不变，这叫一次击穿。发生一次击穿时，如果继续增大 UCe，又不限制I c，Ic上升到临 界值时，UCe突然下降，而Ic继续增大（负载效应），这个现象称为 二次击穿。1.16怎样确定 GTR的安全工作区 SOA?答：安全工作区是指在输出特性曲线图上 GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。按基极偏量分类可分为：正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区 RBSOA正偏工作区又叫幵

10、通工作区，它是基极正向偏量条件下由 GTR的最大允许集电极功耗 Pcm以及二次 击穿功率Psb, Icm, BUCeo四条限制线所围成的区域。反偏安全工作区 又称为GTR的关断安全工作区，它表示在反向偏置状态下 GTR关断 过程中电压UCe,电流lc限制界线所围成的区域。1.17 GTR对基极驱动电路的要求是什么？答：要求如下：（1） 提供合适的正反向基流以保证 GTR可靠导通与关断，（2） 实现主电路与控制电路隔离，（3） 自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号避免损坏GTR（4） 电路尽可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。1.18在大功率GTR组成的幵关电路中为什么要加缓冲电

11、路 ？答：缓冲电路可以使 GTR在幵通中的集电极电流缓升，关断中 的集电极电压缓升，避免了 GTR同时承受高电压、大电流。另一方 面，缓冲电路也可以使 GTR的集电极电压变化率 du和集电极电流dt变化率di得到有效值抑制，减小幵关损耗和防止高压击穿和硅片局dt部过热熔通而损坏GTR1.19与GTR相比功率 MOS管有何优缺点？答：GTF是电流型器件，功率MOS是电压型器件，与GTF相比， 功率MOS管的工作速度快，幵关频率高，驱动功率小且驱动电路简 单，无二次击穿问题，安全工作区宽，并且输入阻抗可达几十兆欧。但功率MOS勺缺点有：电流容量低，承受反向电压小。1.20从结构上讲，功率 MOS管

12、与VDMOS管有何区别？答：功率MOS采用水平结构，器件的源极 S,栅极G和漏极D 均被置于硅片的一侧，通态电阻大，性能差，硅片利用率低。VDMOS 采用二次扩散形式的P形区的N+型区在硅片表面的结深之差来形成 极短的、可精确控制的沟道长度（13Am ）、制成垂直导电结构可 以直接装漏极、电流容量大、集成度高。1.21试说明VDMOS的安全工作区。答：VDMOS勺安全工作区分为：（1）正向偏置安全工作区，由 漏电源通态电阻限制线，最大漏极电流限制线，最大功耗限制线， 最大漏源电压限制线构成。（2）幵关安全工作区：由最大峰值漏极 电流Icm最大漏源击穿电压 BUDs最高结温Ijm所决定。（3）换

13、向安 全工作区：换向速度 一定时，由漏极正向电压 UDs和二极管的正dt向电流的安全运行极限值I FM决定。1.22试简述功率场效应管在应用中的注意事项。答：（1）过电流保护，（2）过电压保护，（3）过热保护，（4）防静电。1.23与GTR、VDMOS 相比，IGBT管有何特点？答：IGBT的幵关速度快，其幵关时间是同容量 GTR的1/10 ,IGBT电流容量大，是同容量 MOS的10倍；与 VDMOSGTR相比，IGBT的耐压可以做得很高，最大允许电压 UCem可达4500V，IGBT的最高允许结温Tjm为150 C，而且IGBT的通态压降在室温和最高结温之 间变化很小，具有良好的温度特性；

14、通态压降是同一耐压规格 VDMOS 的1/10，输入阻抗与皿0阴。1.24下表给出了 1200V和不同等级电流容量IGBT管的栅极电阻推荐值。试说明为什么随着电流容量的增大， 栅极电阻值相应减小？电流容量/A255075100150200300栅极电阻/Q502515128.253.3答：对一定值的集电极电流，栅极电阻增大栅极电路的时间常数相应增大，关断时栅压下降到关断门限电压的时间变长，于是IGBT的关断损耗增大。因此，随着电流容量的增大，为了减小关断损耗，栅极电阻值相应减小。应当注意的是，太小的栅极电阻会使 关断过程电压变化加剧，在损耗允许的情况下，栅极电阻不使用宜 太小。1.25 在 S

15、CR GTR IGBT、GTO MOSFET IGCT及 MCI器件中， 哪些器件可以承受反向电压？哪些可以用作静态交流开关？答：SCR GTR IGBT、GTO MCT都可承受反向电压。 SCR可以 用作静态开关。1.26试说明有关功率 MOSFE驱动电路的特点。答：功率MOSFE驱动电路的特点是：输入阻抗高，所需驱动功 率小，驱动电路简单，工作频率高。1.27试述静电感应晶体管 SIT 的结构特点。答： SIT 采用垂直导电结构，沟道短而宽，适合于高电压，大 电流的场合，其漏极电流具有负温度系数，可避免因温度升高而引 起的恶性循环漏极电流通路上不存在 PN结，一般不会发生热不稳定性和二次击

16、穿现象，其安全工作区范围较宽 , 关断它需加 10V 的 负栅极偏压UGs,使其导通，可以加56V的正栅偏压+U3S，以降低器 件的通态压降。1.28试述静电感应晶闸管 SITH 的结构特点。答：其结构在SIT的结构上再增加一个P+层形成了无胞结构SITH的电导调制作用使它比 SIT的通态电阻小，通态压降低，通态电流大，但因器件内有大量的存储电荷，其关断时间比 SIT 要慢， 工作频率低。1.29 试述 MOS 控制晶闸管 MCT 的特点和使用范围。答：MCT具有高电压，大电流，高载流密度，低通态压的特点， 其通态压降只有GTR的1/3左右， 硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的，另

17、外，MCT可承受极高的 di/dt和 du/dt。使得其保护电路简化，MCT的幵关速度超过GTR，且 开关损耗也小。1.30缓冲电路的作用是什么？关断缓冲与开通缓冲在电路形式 上有何区别，各自的功能是什么？答：缓冲电路的作用是抑制电力电子器件的内因过电压 du/dt 或者过电流 di/dt, 减少器件的开关损耗。 缓冲电路分为关断缓冲电 路和开通缓冲电路。关断缓冲电路是对 du/dt 抑制的电路，用于抑 制器件的关断过电压和换相过电压，抑制 du/dt ，减小关断损耗。 开通缓冲电路是对 di/dt 抑制的电路， 用于抑制器件开通时的电流 过冲和 di/dt ，减小器件的开通损耗。第 2 章

18、思考题与习题2.1什么是整流？它与逆变有何区别？答：整流就是把交流电能转换成直流电能，而将直流转换为交 流电能称为逆变，它是对应于整流的逆向过程。2.2单相半波可控整流电路中，如果：(1)晶闸管门极不加触发脉冲；(2)晶闸管内部短路；(3)晶闸管内部断开； 试分析上述三种情况负载两端电压 ud 和晶闸管两端电压 uT 的波形。答：( 1)负载两端电压为 0，晶闸管上电压波形与 U2 相同；(2)负载两端电压为U2，晶闸管上的电压为0;(3)负载两端电压为 0，晶闸管上的电压为 U2。2.3某单相全控桥式整流电路给电阻性负载和大电感负载供 电，在流过负载电流平均值相同的情况下， 哪一种负载的晶闸

19、管额 定电流应选择大一些 ?答：带大电感负载的晶闸管额定电流应选择小一些。由于具有 电感，当其电流增大时，在电感上会产生感应电动势，抑制电流增 加。电阻性负载时整流输出电流的峰值大些，在流过负载电流平均 值相同的情况下，为防此时管子烧坏，应选择额定电流大一些的管 子。2.4某电阻性负载的单相半控桥式整流电路，若其中一只晶闸 管的阳、阴极之间被烧断，试画出整流二极管、晶闸管两端和负载 电阻两端的电压波形。解：设a =0，T2被烧坏，如下图：2.5相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的 Ud与Id的乘 积是否等于负载有功功率，为什么 ？带大电感负载时，负载电阻 Rd 上的Ud与Id的乘积是否等于

20、负载有功功率，为什么 ？答：相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的平均功率Pd二Udld不等于负载有功功率P二UI。因为负载上的电压、电流是 非正弦波，除了直流 Ud与Id外还有谐波分量Ui，U2,和Il,l2 /， 负载上有功功率为 P二.Pd2 P2 P22 Pd -Udld。相控整流电路带大电感负载时，虽然 Ud存在谐波，但电流是恒定的直流，故负载电阻 Rd上的Ud与Id的乘积等于负载有功功率。2.6某电阻性负载要求024V直流电压，最大负载电流ld=30A， 如采用由220V交流直接供电和由变压器降压到 60V供电的单相半波相控整流电路，是否两种方案都能满足要求 ？试比较两种供电方案

21、的晶闸管的导通角、额定电压、额定电流、电路的功率因数及对 电源容量的要求。解：采用由220V交流直接供电当:=0时：Udo=0.45U2=0.45 220 =99V由变压器降压到60V供电当=0时:U=0.45U2=0.45 x60 =27V因此，只要调节:都可以满足输出024V直流电压要求。采用由220V交流直接供电时:Ud 二 0.45U 21 COS-，2Ud=24V 时 ：121 v -180 -121 =59取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为622V和108A。电源提供有功功率p = l22R = 842 0.8 = 5644.8W电源提供视在功率S = u2l2 =8

22、4 220 =18.58kVA电源侧功率因数(2)采用变压器降压到60V供电:1 cos： U d 0.45U 2 _2Ud=24V 时 :-:39 , v -180 -39、=141取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为 168.8V和65.4A。变压器二次侧有功功率 P = l22R二51.382 0.8二2112W变压器二次侧视在功率 S二U 212 = 60 51.38二3.08kVA电源侧功率因数 P P 0.68S2.7某电阻性负载，Rd=50 Q要求Ud在0600V可调，试用单相半波和单相全控桥两种整流电路来供给，分别计算：(1)晶闸管额定电压、电流值；(2)连接负载的

23、导线截面积(导线允许电流密度 j=6A /mm2);(3)负载电阻上消耗的最大功率。解：(1)单相半波=0Ud 600U d 60012 1333V , Id- 12A0.45 0.45Rd 50晶闸管的最大电流有效值IT =1.57ld =18.8A晶闸管额定电流为 1t(av)_ It = 12(A)1.57晶闸管承受最大电压为Urm -、2U2 =1885V时，U取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和30A。所选导线截面积为 l j =18.8 3.13mm2U d 600时,U 2 - 667V , I d0.9 0.9U1=00=12ARd 50负载电流有效值=

24、1.11Id = 13.3A(Kf=1.11)晶闸管的额定电流为I T(AV)-上=6(A)1.57晶闸管承受最大电压为Urm - 2U2 =1885V取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和20A。所选导线截面积为s _ I J =13.36 ： 2.22mm2负载电阻上最大功率Pr = 12R =8.9kW2.8整流变压器二次侧中间抽头的双半波相控整流电路如图题 2.8所示。(1)说明整流变压器有无直流磁化问题 ？(2)分别画出电阻性负载和大电感负载在 a =60时的输出电压Ud、电流id的波形，比较与单相全控桥式整流电路是否相同。 若已知U2=220V，分别计算其输出

25、直流电压值 Ud。（3）画出电阻性负载 a =60时晶闸管两端的电压 Ut波形，说明 该电路晶闸管承受的最大反向电压为多少 ？图题2.8解：（1）因为在一个周期内变压器磁通增量为零，所以没有直流磁化。（2）其波形如下图所示，与单相全控桥式整流电路相同。电 阻 性 负 载：1+cosa O.X 220 汉（1+cos60）Ud =0.9U2 148.5V2 2感性负载： Ud =0.9U2cos=99V（3）其波形如下图所示，晶闸管承受的最大反向电压为 2、2U22.9带电阻性负载三相半波相控整流电路，如触发脉冲左移到 自然换流点之前15处，分析电路工作情况，画出触发脉冲宽度分 别为10和20时

26、负载两端的电压 Ud波形。解：三相半波相控整流电路触发脉冲的的最早触发时刻在自然 换流点，如触发脉冲左移到自然换流点之前 15处，触发脉冲宽度为10时，不能触发晶闸管， Ud=0。触发脉冲宽度为15时，能触发晶闸管，其波形图相当于 a =0时的波形。2.10三相半波相控整流电路带大电感负载,Rd=10 Q，相电压有效值U2=220V。求a =45时负载直流电压 Ud、流过晶闸管的平均电流IdT和有效电流I T，画出Ud、斤2、Ut3的波形解:1 浮故厂 7U d 6 . 2U2 sin，td（，t） = 1.17 u 2 cos：d 2二/3 訂 2 ）因为：U2 =220V , a =45U

27、d=1.17 U2cos45 =182VlJ J i!w -X-k -11 1、一/ . J iUd、i T2、 UT3波形图如下所示:l七2.11在图题2.11所示电路中，当a =60时，画出下列故障情况 下的Ud波形。(1)熔断器1FU熔断。 熔断器2FU熔断。(3)熔断器2FU、3FU同时熔断。图题2.11解：这三种情况下的波形图如下所示：(C)2.12现有单相半波、单相桥式、三相半波三种整流电路带电阻性负载，负载电流Id都是40A,问流过与晶闸管串联的熔断器的平均电流、有效电流各为多大 ？解：设=0单相半波：I dT=| d=40AIT =1.57 ldT =62.8A (K f =

28、1.57)单相桥式：I dT二丄 ld=20A2三相半波：1 ldT=ld=13.3A3当：=0 时 U d=1.17U2U2=U/1.17U 2 1 2- .3o 一 ： _ 30 时 I t = 2 1 ( c o S )Rd $2兀 3 22.13三相全控桥式整流电路带大电感负载，负载电阻 Rd=4 Q,要求Ud从0220V之间变化。试求：(1)不考虑控制角裕量时，整流变压器二次线电压。(2)计算晶闸管电压、电流值，如电压、电流取 2倍裕量，选择晶闸管型号。解：(1)因为Ud=2.34U2 cos；不考虑控制角裕量，-0时晶闸管承受的平均电流为l dT= l d3取2倍的裕量,URh=4

29、60.6V又因为Id220V= 55AUd所以 Ir18.33A，取 2 倍的裕量 I dTma=36.67(A)选择KP50- 5的晶闸管。2.14单结晶体管触发电路中，作为 Ubb的削波稳压管Dw两端如并接滤波电容，电路能否正常工作 ？如稳压管损坏断幵，电路又会出现什么情况？答：在稳压管Dw两端如并接滤波电容后，电路能否正常工作。 如稳压管损坏断幵，单结晶体管上峰值电压太高，不利于单结晶体 管工作。2.15三相半波相控整流电路带电动机负载并串入足够大的电 抗器，相电压有效值 U2=220V，电动机负载电流为40A，负载回路 总电阻为0.2 Q,求当a =60时流过晶闸管的电流平均值与有效值、 电动机的反电势。解：电流平均值为： 心二1 ld=40/3=13.33电流有效值为:It= 0.51lld= 23A设电动机的反电势为 E),则回路方程为：而 Ud - . 2U2sin，td(，t) ul.lTUhcos： =128.7V2兀/3故所以 ED =128.7 -40 0.2 = 120.7V2.16三相全控桥电路带串联 Ld的电动机负载，已知变压器二次电压为100V，变压器每相绕组折合到二次侧的漏感 Li为100 口H，负载电流为150A,求:(1)由于漏抗引起的换相压降;(2)该压降所对应整流装置的等效内阻及 a =0时的换相重叠解: (1)u 二 y 2