1、电力电子技术习题集标 * 的习题是课本上没有的，作为习题的扩展习题一* 试说明什么是电导调制效应及其作用。答：当 PN 结通过正向大电流时，大量空穴被注入基区（通常是 N 型材料） ，基区的空穴浓度（少子）大幅度增加，这些载流子来不及和基区的电子中和就到达负极。为了维持基区半导体的电中性，基区的多子（电子）浓度也要相应大幅度增加。这就意味着，在大注入的条件下原始基片的电阻率实际上大大地下降了，也就是电导率大大增加了。这种现象被称为基区的电导调制效应。电导调制效应使半导体器件的通态压降降低，通态损耗下降；但是会带来反向恢复问题，使关断时间延长，相应也增加了开关损耗。1. 晶闸管正常导通的条件是什
2、么，导通后流过的电流由什么决定？晶闸管由导通变为关断的条件是什么，如何实现？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压（U AK0） ，并在门极施加触发电流（U GK0） 。2. 有时晶闸管触发导通后，触发脉冲结束后它又关断了，是何原因？答：这是由于晶闸管的阳极电流 IA 没有达到晶闸管的擎住电流（I L）就去掉了触发脉冲，这种情况下，晶闸管将自动返回阻断状态。在具体电路中，由于阳极电流上升到擎住电流需要一定的时间（主要由外电路结构决定） ，所以门极触发信号需要保证一定的宽度。* 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使其阳极电流 IA 大
3、于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流 IH。要使晶闸管由导通转为关断，可利用外加反向电压或由外电路作用使流过晶闸管的电流降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。3. 图 1-30 中的阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为 Im，试计算各波形的电流平均值、有效值。如不考虑安全裕量，额定电流 100A 的晶闸管，流过上述电流波形时，允许流过的电流平均值 Id 各位多少？0 ti2 0 ti2 0 t2 i0 t2 i0 ti2 0 ti2 ( a )( c )( e )( f )( d )( b ) 图 1-30 习题 1-4 附图解：（a） mm m0 I11Isin()20.3
4、185I2daItd20 0 Icos(2)i 2a ttt d额定电流 100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为 157A，则 ；平均值 Ida 为：mI3140.5aAmI10daA（b） mm02Isin()I0.639IdbItd22 mm0 0 I11cos()(Ii)( 2b tItt d 额定电流 100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为 157A，则 ；平均值 IdbIbA为： m0.639I14.dbIA（c） mm33sin()I0.47I2ctd2m m3 311cos()13(Ii)( ()0.64I8c tItt d 额定电流 100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为
5、 157A，则 ；平均值mI27.5.cAIdc 为： m0.47I18dcA（d） mm3 3Isin()0.28I224td2m m3 3I11cos()13(Ii)( ()0.486I2d tItt d 额定电流 100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为 157A，则 ；平均值mI50.486dAIdd 为： 0.238*590.7d A（e） 4mm011I()I.25I24det400.362eIdt额定电流 100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为 157A，则 ：mI40.356eA平均值 Ide 为： 0.125*4.de A（f） 4mm0()I0.25Idf t2401I.
6、fIdt额定电流 100A 的晶闸管允许流过的电流有效值为 157A，则： mI3140.5fA平均值 Ide 为： 0.25*31478.dfIA* 在图 1-31 所示电路中，若使用一次脉冲触发，试问为保证晶闸管充分导通，触发脉冲宽度至少要多宽？图中，E=50V；L=0.5H；R=0.5; IL=50mA（擎住电流） 。TLRE UGSiG tt图 1-31 习题 1-5 附图 图 1-32 习题 1-9 附图解：晶闸管可靠导通的条件是：必须保证当阳极电流上升到大于擎住电流之后才能撤掉触发脉冲。当晶闸管导通时有下式成立： diELRt解之得： (1)RtLie可靠导通条件为： 0.5LiI
7、解得：0.0.5(1)(1).RttEee即 4ln5.0t s5us也即触发脉冲宽度至少要 500s4. 为什么晶闸管不能用门极负脉冲信号关断阳极电流，而 GTO 却可以？答：GTO 和普通晶闸管同为 PNPN 结构，由 P1N1P2 和 N1P2N2 构成两个晶体管 V1、V 2 分别具有共基极电流增益 1 和 2，由普通晶闸管得分析可得， 1 21 是器件临界导通的条件。 1 21 两个晶体管饱和导通； 1 21.15，而 GTO 则为 1 21.05，饱和程度不深，在门极控制下易于退出饱和。C GTO 在设计时， 2 较大，晶体管 V2 控制灵敏，而 1 很小，这样晶体管 V1 的集电
8、极电流不大，易于从门极将电流抽出，从而使 GTO 关断。* GTO 与 GTR 同为电流控制器件，前者的触发信号与后者的驱动信号有哪些异同？答：二者都是电流型驱动型器件，其开通和关断都要求有相应的触发脉冲，要求其触发电流脉冲的上升沿陡且实行强触发。GTR 要求在导通期间一直提供门极触发电流信号，而 GTO 当器件导通后可以去掉门极触发电流信号；GTO 的电流增益（尤其是关断电流增益很小）小于 GTR，无论是开通还是关断都要求触发电流有足够的幅值和陡度，其对触发电流信号（尤其是关断门极负脉冲电流信号）的要求比 GTR 高。5. 试比较 GTR、GTO、MOSFET、IGBT 之间的差异和各自的优
9、缺点及主要应用领域。答：见下表器件 优点 缺点 应用领域GTR 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，电流驱动型需要驱动功率大，驱动电路复杂，存在 2 次击穿问题UPS、空调等中小功率中频场合GTO 电压、电流容量很大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率很大，驱动电路复杂，开关频率低高压直流输电、高压静止无功补偿、高压电机驱动、电力机车地铁等高压大功率场合。MOSFET 开关速度快，开关损耗小，工作频率高，门极输入阻抗高，热稳定性好，需要的驱动功率小，驱动电路简单，没有 2 次击穿问题电流容量
10、小，耐压低，通态损耗较大，一般适合于高频小功率场合开关电源、日用电气、民用军用高频电子产品IGBT 开关速度高，开关损耗小，通态压降低，电压、电流容量较高。门极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单开关速度不及电力MOSFET，电压、电流容量不及 GTO。电机调速，逆变器、变频器等中等功率、中等频率的场合，已取代 GTR。是目前应用最广泛的电力电子器件。* 请将 VDMOS（或 IGBT）管栅极电流波形画于图 1-32 中，并说明电流峰值和栅极电阻有何关系以及栅极电阻的作用。答： UGSiG ttVDMOSFET 和 IGBT 都是电压驱动型器件，由于存在门极电容，其门极电流的波形类似于通过门极
11、电阻向门极电容的充电过程，其峰值电流为 IpU GE/RG。栅极电阻的大小对器件的静态和动态开关特性有很大的影响：R G 增加，则开通时间、关断时间、开通损耗关断损耗增加； 和位移电流减小；触发电路振荡抑止能力强，反之则作用相反。因此在CEdUt损耗容许的条件下，R G 可选大些以保证器件的安全，具体选择要根据实际电路选。典型的应用参数为：U GE15V， UGE(510)V，R G1050 欧* 全控型器件的缓冲吸收电路的主要作用是什么？试分析 RCD 缓冲电路中各元件的作用。答：缓冲电路的主要作用是抑止器件在开关过程中出现的过高的 、 和过电压，减dUtIt小器件的开关损耗保证器件工作在安
12、全范围之内。RCD 缓冲电路中主要是为了防止器件关断过程中的过电压。器件关断时，负载电流经二极管 D 向吸收电容 C 充电，使器件两端的电压由 0 缓慢上升，减缓 ，一方面可以dt抑止过电压，一方面可以减小关断损耗；开通时，吸收电容的能量经电阻 R 向器件放电，为下次关断做好准备，电阻 R 的作用是限制放电电流的大小、抑止缓冲电路的振荡。* 限制功率 MOSFET 应用的主要原因是什么？实际使用时如何提高 MOSFET 的功率容量？答：限制功率 MOSFET 应用的主要原因是其电压、电流容量难以做大。因为 MOSFET 是单极性器件，所以通态损耗较大，其通态电阻为 。高压大电流时，其通态电阻2
13、.5DSonUR（对应损耗）达到令人难以接受的程度（目前的市场水平最大为 1200V/36A） 。实际使用时由于 MOSFET 具有正的温度系数，可以方便地采用多管串并联的方法来提高其功率容量。习题二1*具有续流二极管的单相半波可控整流电路，带阻感性负载，电阻为 5，电感为0.2H，电源电压的有效值为 220V，直流平均电流为 10A，试计算晶闸管和续流二极管的电流有效值，并指出晶闸管的电压定额（考虑电压 2-3 倍裕度） 。解：本题困难，可不作为习题要求。a) LT VT Ru1 u2uVTud VDidu2udiduVTiVT IdIdt1 tttttt000000-+b)c)d)e)f)
14、g)iVDiVDI1I0电路上图所示。设触发角为 ，则在 期间晶闸管导通，其直流输出电压 Ud 如图（b）所示；在 0 和 2 期间，续流二极管导通，直流输出电压为 0，则直流平均电压为 (1cos)dU2(s)dUIR带入已知参数可得 ，即 。021(cos)*52设晶闸管开始导通时的电流值为 I0，晶闸管关断、二极管开始导通时的电流值为 I1，则在晶闸管导通期间的回路方程为： 201sin.(1)|. 2|.(3)ttdiLRUti由（1）可得方程的通解为（4）2sin()()RtLUitAeRLarctg带入式（2）的初值条件，解得 220sin()()RLUAI eRL将上式带入（4）
15、并将已知参数带入可得 0.1250.6sin(1.5)(3)titIe将式（3）的条件带入得（5）1004.9(.2)*.8.4.III当二极管导通时，电流表达式为 2511RttLiIe在 t=2 /2 处，i=I 0，可得 I1 和 I0 之间的关系（6）0.3751169II由（5） 、 （6）可解得10.7IA则得电流的完全表达式如下（7）0.125254.6sin(.)73.()10.9.(,2tt etiet按照（7）用解析方法求解晶闸管和二极管的电流有效值非常复杂，为简化计算，用 I1 和I0 之间的直线段来代替实际的曲线方程（由于 L 较大，这种代替不会带来很大误差） 。则晶闸
16、管和二极管的电流有效值分别为 2201(7.51)4.6VTIxdA3220.5.D从图（g）可以看出，晶闸管承受的反压为电源电压峰值，即 ，考虑 3 倍231VU安全余量可选耐压 1000V 的晶闸管。2单相桥式全控整流电路接电阻性负载，要求输出电压在 0100V 连续可调，输出电压平均值为 30 V 时，负载电流平均值达到 20A。系统采用 220V 的交流电压通过降压变压器供电，且晶闸管的最小控制角 min30 ， （设降压变压器为理想变压器） 。试求：（1）变压器二次侧电流有效值 I2；（2）考虑安全裕量，选择晶闸管电压、电流定额；（3）作出 60时，u d、i d 和变压器二次侧 i
17、2 的波形。解：由题意可知负载电阻 欧，301.5dURI单相全控整流的直流输出电压为2(1cos)dU直流输出最大为 100V，且此时的最小控制角为 min30，带入上式可求得2109*.86UV（1） 2222 sinsin2sin2() 79.34tUI dtRRRmin30时， 2maxsin6379.3478.22I A（2）晶闸管的电流有效值和承受电压峰值分别为2max278.5.3168.VTVTII AUV考虑 3 倍余量，选器件耐压为 1683500V ；电流为(55.3/1.57)3100A（3） ttt000i2udid /3 /33试作出图 2-7 所示的单相桥式半控整
18、流电路带大电感负载，在 30时的ud、i d、i VT1、i VD4 的波形。并计算此时输出电压和电流的平均值。解：a) T ab RL0b)u2i2 ud idVT1 VT2VD3 VD4 VDu20udid Id00000i2 IdIdId Id Id tttttttiVT1D4iVT2D3iVDc)d)e)f)g)输出电压和电流的平均值分别为： d221cos0.90.84UU.IRR4单相桥式全控整流电路，U 2100V ，负载中 R2 ， L 值极大，反电动势 E60V，当30 时，试求：（1）作出 ud、i d 和 i2 的波形；（2）求整流输出电压平均值 Ud、电流 Id，以及变
19、压器二次侧电流有效值 I2。解：整流输出电压平均值 Ud、电流 Id，以及变压器二次侧电流有效值 I2 分别为：22 30.9cos()0.9*17.942(/746)/ddUVIERAAT ab RLa)u1 u2i2 VT1 VT3VT2 VT4udidu20 t0 t0 tudidi2 tIdIdId0E5. 某一大电感负载采用单相半控桥式整流接有续流二极管的电路，负载电阻 R=4，电源电压 U2=220V，=/3，求：(1) 输出直流平均电压和输出直流平均电流；(2) 流过晶闸管（整流二极管）的电流有效值；(3) 流过续流二极管的电流有效值。解：（1）电路波形图见第 3 题21cos0.90.9*20.75148.48.537.15dddU VI AR（2）23121.423dVTdIIIt
