【正文】 dww 電子電力課后習(xí)題答案（王兆安 第五版） 機(jī)械工業(yè)出版社 第一章 電力電子器件 使晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？ 答：使晶閘管導(dǎo)通的條件是：晶閘管承受正相陽極電壓，并在門極施加觸發(fā)電流（脈沖）?；蛘?UAK 0 且 UGK0 維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？ 答：維持晶閘管導(dǎo)通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流，即維持電流。 圖 1－ 43 中陰影部分為晶閘管處于通態(tài)區(qū)間的電流波形，各波形的電流最大值均為Im ，試計(jì)算各波形的電流平均值 Id Id Id3與電流有效值 I I I3。 解： a) Id1= )122(2Im)(s inIm2 1 4 ???? ??? ?? t I1= Im4 7 6 1432Im)()s in(Im2 142 ???? ??? ?? wtdt b) Id2= Im5 4 )122(2Im)(s inIm14 ???? wtdt?? ?? I2= Im6 7 4 1432 Im2)()s in(Im142 ???? ??? ?? wtdt c) Id3= ? ?20 Im41)(Im21? ?? td I3= Im21)(Im21 20 2 ?? td ??? ,問 100A 的晶闡管能送出的平均電流 Id Id Id3各為多少 ?這時(shí)，相應(yīng)的電流最大值 Im Im Im3各為多少 ? 解：額定電流 IT(AV)=100A 的晶閘管，允許的電流有效值 I=157A,由上題計(jì)算結(jié)果知 a) Im1 ?? I A, Id1? ? b) Im2 , AI ?? Id2 AI m 2 65 4 3 2 ?? c) Im3=2I=314 Id3= 3 ?mI 和普通晶閘管同為 PNPN 結(jié)構(gòu) ,為什么 GTO 能夠自關(guān)斷 ,而普通晶閘管不能 ? 答： GTO和普通晶闡管同為 PNPN 結(jié)構(gòu)，由 P1N1P2 和 N1P2N2 構(gòu)成兩個(gè)晶體管 V V2，分別具有共基極電流增益 1? 和 2? ，由普通晶闡管的分析可得， 121 ???? 是器件臨界導(dǎo)通的條件。 121 ＞?? ? 121 ＜?? ? 不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。 GTO 之所以能夠自行關(guān)斷，而普通晶閘管不能，是因?yàn)?GTO 與普通晶閘管在設(shè)計(jì)和工藝方面有以下幾點(diǎn)不同： l)GTO 在設(shè)計(jì)時(shí) 2? 較大，這樣晶體管 V2 控制靈敏，易于 GTO 關(guān)斷； 2)GTO 導(dǎo)通時(shí) 21 ??? 的更接近于 l，普通晶閘管 ???? ，而 GTO 則為 ???? ， GTO 的飽和程度不深 ，接近于臨界飽和，這樣為門極控制關(guān)斷提供了有利條件； 3)多元集成結(jié)構(gòu)使每個(gè) GTO 元陰極面積很小，門極和陰極間的距離大為縮短，使得 P2極區(qū)所謂的橫向電阻很小，從而使從門極抽出較大的電流成為可能。 MOSFET 因靜電感應(yīng)應(yīng)起的損壞 ? 答：電力 MOSFET 的柵極絕緣層很薄弱，容易被擊穿而損壞。 MOSFET 的輸入電容是低泄漏電容，當(dāng)柵極開路時(shí)極易受靜電干擾而充上超過177。 20 的擊穿電壓，所以為防止 MOSFET 因靜電感應(yīng)而引起的損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： ①一般在不用時(shí)將其三 個(gè)電極短接； ②裝配時(shí)人體、工作臺、電烙鐵必須接地，測試時(shí)所有儀器外殼必須接地； ③電路中，柵、源極間常并聯(lián)齊納二極管以防止電壓過高； ④漏、源極間也要采取緩沖電路等措施吸收過電壓。 、 GTR、 GTO 和電力 MOSFET 的驅(qū)動電路各有什么特點(diǎn) ? 答： IGBT 驅(qū)動電路的特點(diǎn)是 :驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻，Ⅰ GBT 是電壓驅(qū)動型器件，IGBT 的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器。 GTR 驅(qū)動電路的特點(diǎn)是：驅(qū)動電路提供的驅(qū)動電流有足夠陡的前沿，并有一定的過 沖，這樣可加速開通過程，減小開通損耗；關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動電路能提供幅值足夠大的反向基極驅(qū)動電流，并加反偏截止電壓，以加速關(guān)斷速度。 GTO 驅(qū)動電路的特點(diǎn)是： GTO 要求其驅(qū)動電路提供的驅(qū)動電流的前沿應(yīng)有足夠的幅值和陡度，且一般需要在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流，關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，幅值和陡度要求更高，其驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路，關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分。 電力 MOSFET 驅(qū)動電路的特點(diǎn)：要求驅(qū)動電路具有較小的輸入電阻，驅(qū)動功率小且電路簡單。 ?試分析 RCD 緩沖電路中各元件的作用。 答：全控型器件緩沖電路的主要作用是抑制器件的內(nèi)因過電壓， du/dt 或過電流和 di/dt,，減小器件的開關(guān)損耗。 RCD 緩沖電路中，各元件的作用是：開通時(shí)， Cs 經(jīng) Rs 放電， Rs 起到限制放電電流的作用；關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流經(jīng) VDs 從 Cs 分流，使 du/dt 減小，抑制過電壓。 IGBT、 GTR、 GTO 和電力 MOSFET 各自的優(yōu)缺點(diǎn) 。 解 :對Ⅰ GBT、 GTR、 GTO 和電力 MOSFET 的優(yōu)缺點(diǎn)的比較如下表： 器件 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) IGBT 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗 小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小。 開關(guān)速度低于電力MOSFET，電壓 ,電流容量不及 GTO 。 GTR 耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低。 開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題。 GTO 電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)。 電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低。 電力 MOSFET 開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好， 所需驅(qū)動功率小且驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題。 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10kW 的電力電子裝置。 ？ 答：晶閘管的額定電流就是它的通態(tài)平均電流，國標(biāo)規(guī)定：是晶閘管在環(huán)境溫度為 40℃和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫所允許的最大工頻正弦半波電流的平均值。 du/dt? 答：正向電壓在阻斷狀態(tài)下，反向結(jié) J2相當(dāng)?shù)囊粋€(gè)電容加在晶閘管兩端電壓上升率過大，就會有過大的充電電流，此電流流過 J3，起到觸發(fā) 電流的作用，易使晶閘管誤觸發(fā)，所以要限制 du/dt。 ．為什么要限制晶閘管導(dǎo)通電流上升率 di/dt? 答：在晶閘管導(dǎo)通開始時(shí)刻，若電流上升過快，會有較大的電流集中在門集附近的小區(qū)域內(nèi)，雖然平均電流沒有超過額定值，但在小的區(qū)域內(nèi)局部過熱而損壞了晶閘管，所以要限制通態(tài) di/dt。 ？ 答：產(chǎn)生原因： 由分閘、合閘產(chǎn)生的操作過電壓； 雷擊引起的雷擊過電壓； 晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管換相過程中產(chǎn)生的換相電壓。 措施： 壓 敏電阻，交流側(cè) RC 抑制電路，直流側(cè) RC 控制電路，直流側(cè) RC 抑制電路，變壓器屏蔽層，避雷器，器件關(guān)斷過電壓 RC 抑制電路。 第 2 章 整流電路 2..， L=20Mh， U2=100V，求當(dāng) ??0? 時(shí)和 ?60 時(shí)的負(fù)載電流 Id，并畫出 Ud與 Id波形。 解： ??0? 時(shí)，在電源電壓 U2的正半周期晶閘管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電感 L儲能，在晶閘管開始導(dǎo)通時(shí)刻，負(fù)載電流為零。在電源電壓 U2的負(fù)半周期，負(fù)載電感 L釋放能量，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。因此，在電源電壓 U2的一個(gè)周期中下列方程成立： tUdtdiL d ?sin2 2? 考慮到初始條件：當(dāng) 0?t? 時(shí) id=0可解方程： ）－（＝ tc os1LU2I 2d ?? ?? ? ??? ?? 20d )(dtc os1LU221I t）－（ )( 2 AL ?? ? Ud與 Id的波形如下圖： 當(dāng) a= ?60 時(shí)，在 U2的正半周期 ?60 ~ ?180 期間，晶閘管導(dǎo)通使電感 L儲能，電感 L 儲藏的能量在 U2負(fù)半周期 ?180 ~ ?300 期間釋放，因此在 U2 的一個(gè)周期中 ?60 ~ ?300 期間，下列微分方程成立： tUdtdiL d ?sin2 2? 考慮到初始條件：當(dāng) ??60t? 時(shí) id=0 可解方程得： id= )cos212 2 tdtU ?－（ 其平均值為 Id= ? ??35322 )( U2)()c o s21(22 1 ?? ????? AtdtLU ＝ 此時(shí) Ud與 id的波形如下圖： 2. 2 圖 1 為具有變壓器中心抽頭的單相全波可控整流電路 ,問該變壓器還有直流磁化問題嗎 ?試說明 : 晶閘管承受的 最大反向電壓為 2 2 U2。 當(dāng)負(fù)載是電阻或電感時(shí)，其輸出電壓和電流的波形與單相全控橋時(shí)相同。 答：具有變壓器中心抽頭的單相全波可控整流電路，該變壓器沒有直流磁化問題。因?yàn)閱蜗嗳煽卣麟娐纷儔浩鞫蝹?cè)繞組中，在正負(fù)半周上下繞組中的電流方向相反，波形對稱，其一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為零，故不存在直流磁化的問題。 以下分析晶閘管承受最大反向電壓及輸出電壓和電流波形的情況。 ①以晶閘管 VT2 為例。當(dāng) VT1 導(dǎo)通時(shí)，晶閘管 VT2 通過 VT1 與 2個(gè)變壓器二次繞組并聯(lián)，所以 VT2 承受的最大電壓為 2 2 U2。 ②當(dāng) 單相全波整流電路與單相全控橋式整流電路的觸發(fā)角 ? 相同時(shí)，對于電阻負(fù)載：(O~? )期間無晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為 0； (? ~? )期間 ,單相全波電路中 VT1 導(dǎo)通，單相全控橋電路中 VTl、 VT4 導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓 U2相等； ( ? ~ ??? )期間均無晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為 0； ( ??? ~2? )期間，單相全波電路中 VT2 導(dǎo)通，單相全控橋電路中 VT VT3 導(dǎo)通，輸出電壓等于－ U2。 對于電感負(fù)載： ( ? ~ ??? )期間，單相全波電路中 VTl 導(dǎo)通，單相全控橋電路中 VTl、VT4 導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓 U2 相等； ( ??? ~2 ??? )期間，單相全波電路中 VT2 導(dǎo)通，單相全控橋電路中 VT VT3 導(dǎo)通，輸出波形等于 U2。 可見，兩者的輸出電壓相同，加到同樣的負(fù)載上時(shí)，則輸出電流也相同。 ， U2=100V，負(fù)載中 R=20? ， L 值極大，當(dāng) ? = ?30 時(shí)，要求： ①作出 Ud、 Id、和 I2的波形； ②求整流輸出平均電壓 Ud、電流 Id，變壓器二次電流有效值 I2； ③考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流。 解：① Ud、 Id、和 I2的波形如下圖： ②輸出平均電壓 Ud、電流 Id、變壓器二次電流有效值 I2分別為： Ud=? = 100 cos ?30 ＝ （ V） Id＝ Ud/R=(A) I2=Id=(A) ③晶閘管承受的最大反向電壓為： 2 U2=100 2 =(V) 考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為： UN=(2~3) =283~424(V) 具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。 流過晶閘管的電流有效值為： IVT=Id/ 2 =(A) 晶閘管的額定電流為： IN=(~2) ~35(A) 具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。 ，電阻性負(fù)載，畫出整流二極管在一周內(nèi)承受的電壓波形。 解：注意到二極管的特點(diǎn) :承受電壓為正即導(dǎo)通。因此，二極管承受的電壓不會出現(xiàn)正的部分。在 電路中器件均不導(dǎo)通的階段，交流電源電壓由晶閘管平衡。整流二極管在一周內(nèi)承受的電壓波形如下： ， U2 =100V，負(fù)載 R=20? ， L 值極大，反電勢 E=60V，當(dāng) ??30?時(shí)，要求： ①作出 Ud、 Id和 I2的波形；； ②求整流輸出平均電壓 Ud、電流 Id，變壓器二次側(cè)