【正文】 目 錄第1章 電力電子器件 1第2章 整流電路 4第3章 直流斬波電路 20第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路 26第5章 逆變電路 31第6章 PWM控制技術(shù) 35第7章 軟開(kāi)關(guān)技術(shù) 40第8章 組合變流電路 42第1章 電力電子器件1. 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：晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓，并在門(mén)極施加觸發(fā)電流（脈沖）。或：uAK0且uGK0。2. 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。要使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，可利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，即降到維持電流以下，便可使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。3. 圖143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IdIdId3與電流有效值III3。圖143 晶閘管導(dǎo)電波形解：a) Id1==() ImI1== Imb) Id2 ==() ImI2 ==c) Id3== ImI3 == Im4. 上題中如果不考慮安全裕量,問(wèn)100A的晶閘管能送出的平均電流IdIdId3各為多少？這時(shí)，相應(yīng)的電流最大值ImImIm3各為多少?解：額定電流I T(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) ， b) , c) Im3=2 I = 314, Id3= Im3=5. GTO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和普通晶閘管同為PNPN結(jié)構(gòu)，由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成兩個(gè)晶體管VV2,分別具有共基極電流增益和，由普通晶閘管的分析可得，+=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。+＞1，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而導(dǎo)通；+＜1，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)镚TO與普通晶閘管在設(shè)計(jì)和工藝方面有以下幾點(diǎn)不同：1) GTO在設(shè)計(jì)時(shí)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)的+更接近于1，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(mén)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(mén)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(mén)極抽出較大的電流成為可能。6. 如何防止電力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(kāi)路時(shí)極易受靜電干擾而充上超過(guò)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(tái)、電烙鐵必須接地，測(cè)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(guò)高④ 漏、源極間也要采取緩沖電路等措施吸收過(guò)電壓。7. IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路各有什么特點(diǎn)？答：IGBT驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻，IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專(zhuān)用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。GTR驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)電流有足夠陡的前沿，并有一定的過(guò)沖，這樣可加速開(kāi)通過(guò)程，減小開(kāi)通損耗，關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路能提供幅值足夠大的反向基極驅(qū)動(dòng)電流，并加反偏截止電壓，以加速關(guān)斷速度。GTO驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是：GTO要求其驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)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(mén)極電流，關(guān)斷需施加負(fù)門(mén)極電流，幅值和陡度要求更高，其驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路，關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門(mén)極反偏電路三部分。電力MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)：要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸入電阻，驅(qū)動(dòng)功率小且電路簡(jiǎn)單。8. 全控型器件的緩沖電路的主要作用是什么？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(guò)電壓，du/dt或過(guò)電流和di/dt，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。RCD緩沖電路中，各元件的作用是：開(kāi)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(guò)電壓。9. 試說(shuō)明IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET各自的優(yōu)缺點(diǎn)。解：對(duì)IGBT、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(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)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(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小開(kāi)關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTOGTR耐壓高，電流大，開(kāi)關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低開(kāi)關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問(wèn)題GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場(chǎng)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(mén)極負(fù)脈沖電流大，開(kāi)關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開(kāi)關(guān)頻率低電 力MOSFET開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問(wèn)題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置第2章 整流電路 1. 單相半波可控整流電路對(duì)電感負(fù)載供電，L＝20mH，U2＝100V，求當(dāng)α＝0176。和60176。時(shí)的負(fù)載電流Id，并畫(huà)出ud與id波形。解：α＝0176。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(chǔ)能，在晶閘管開(kāi)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)周期里，以下方程均成立： 考慮到初始條件：當(dāng)wt＝0時(shí)id＝0可解方程得：==(A) ud與id的波形如下圖： 當(dāng)α＝60176。時(shí)，在u2正半周期60176。~180176。期間晶閘管導(dǎo)通使電感L儲(chǔ)能，電感L儲(chǔ)藏的能量在u2負(fù)半周期180176。~300176。期間釋放，因此在u2一個(gè)周期中60176。~300176。期間以下微分方程成立： 考慮初始條件：當(dāng)wt＝60176。時(shí)id＝0可解方程得：其平均值為==(A) 此時(shí)ud與id的波形如下圖： 2．圖29為具有變壓器中心抽頭的單相全波可控整流電路，問(wèn)該變壓器還有直流磁化問(wèn)題嗎？試說(shuō)明：①晶閘管承受的最大反向電壓為2；②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(méi)有直流磁化的問(wèn)題。因?yàn)閱蜗嗳煽卣麟娐纷儔浩鞫螠y(cè)繞組中，正負(fù)半周內(nèi)上下繞組內(nèi)電流的方向相反，波形對(duì)稱，其一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為零，故不會(huì)有直流磁化的問(wèn)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(guò)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 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a 相同時(shí)，對(duì)于電阻負(fù)載：（0~α）期間無(wú)晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為0；（α~π）期間，單相全波電路中VT1導(dǎo)通，單相全控橋電路中VTVT4導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓u2相等；(π~π＋α)期間，均無(wú)晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為0；(π＋α ~ 2π)期間，單相全波電路中VT2導(dǎo)通，單相全控橋電路中VTVT3導(dǎo)通，輸出電壓等于 u2。對(duì)于電感負(fù)載：（α ~ π＋α）期間，單相全波電路中VT1導(dǎo)通，單相全控橋電路中VTVT4導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓u2相等；（π＋α ~ 2π＋α）期間，單相全波電路中VT2導(dǎo)通，單相全控橋電路中VTVT3導(dǎo)通，輸出波形等于 u2?？梢?jiàn)，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。 3．單相橋式全控整流電路，U2＝100V，負(fù)載中R＝2Ω，L值極大，當(dāng)α＝30176。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：①u(mài)d、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＝ U2 cosα＝100cos30176。＝（V）Id＝Ud /R＝＝（A）I2＝Id ＝（A） ③晶閘管承受的最大反向電壓為：U2＝100＝（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(guò)晶閘管的電流有效值為：IVT＝Id∕＝（A）晶閘管的額定電流為：IN＝（~2）∕＝26~35（A）具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。 4．單相橋式半控整流電路，電阻性負(fù)載，畫(huà)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(huì)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： 5．單相橋式全控整流電路，U2=100V，負(fù)載中R=2Ω，L值極大，反電勢(shì)E=60V，當(dāng)a=30176。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)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：①u(mài)d、id和i2的波形如下圖： ②整流輸出平均電壓Ud、電流Id，變壓器二次側(cè)電流有效值I2分別為Ud＝ U2 cosα＝100cos30176。＝(A)Id ＝(Ud－E)/R＝(－60)/2＝9(A)I2＝Id ＝9(A) ③晶閘管承受的最大反向電壓為：U2＝100＝（V）流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流的有效值為：IVT＝Id ∕＝（A）故晶閘管的額定電壓為：UN＝(2~3)＝283~424（V） 晶閘管的額定電流為：IN＝(~2)∕＝6~8（A）晶閘管額定電壓和電流的具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取。 6. 晶閘管串聯(lián)的單相半控橋（橋中VTVT2為晶閘管），電路如圖211所示，U2=100V，電阻電感負(fù)載，R=2Ω，L值很大，當(dāng)a=60176。時(shí)求流過(guò)器件電流的有效值，并作出ud、id、iVT、iD的波形。解：ud、id、iVT、iD的波形如下圖： 負(fù)載電壓的平均值為：＝（V） 負(fù)載電流的平均值為：Id＝Ud∕R＝∕2＝（A） 流過(guò)晶閘管VTVT2的電流有效值為：IVT＝Id＝（A） 流過(guò)二極管VDVD4的電流有效值為：IVD＝Id＝（A）7. 在三相半波整流電路中，如果a相的觸發(fā)脈沖消失，試?yán)L出在電阻性負(fù)載和電感性負(fù)載下整流電壓ud的波形。解：假設(shè)，當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，ud的波形如下： 當(dāng)負(fù)載為電感時(shí)，ud的波形如下： 8．三相半波整流電路，可以將整流變壓器的二次繞組分為兩段成為曲折接法，每段的電動(dòng)勢(shì)相同，其分段布置及其矢量如圖260所示，此時(shí)線圈的繞組增加了一些，銅的用料約增加10%，問(wèn)變壓器鐵心是否被直流磁化，為什么？圖260 變壓器二次繞組的曲折接法及其矢量圖答：變壓器鐵心不會(huì)被直流磁化。原因如下：變壓器二次繞組在一個(gè)周期內(nèi)：當(dāng)a1c2對(duì)應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，a1的電流向下流，c2的電流向上流；當(dāng)c1b2對(duì)應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，c1的電流向下流，b2的電流向上流；當(dāng)b1a2對(duì)應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通時(shí)，b1的電流向下流，a2的電流向上流；就變壓器的一次繞組而言，每一周期中有兩段時(shí)間（各為120176。）由電流流過(guò)，流過(guò)的電流大小相等而方向相反，故一周期內(nèi)流過(guò)的電流平均值為零，所以變壓器鐵心不會(huì)被直流磁化。 9．三相半波整流電路的共陰極接法與共陽(yáng)極接法，a、b兩相的自然換相點(diǎn)是同一點(diǎn)嗎？如果不是，它們?cè)谙辔簧喜疃嗌俣龋看穑喝喟氩ㄕ麟娐返墓碴帢O接法與共陽(yáng)極接法，a、b兩相之間換相的的自然換相點(diǎn)不是同一點(diǎn)。它們?cè)谙辔簧舷嗖?80176。 10．有兩組三相半波可控整流電路，一組是共陰極接法，一組是共陽(yáng)極接法，如果它們的觸發(fā)角都是a，那末共陰極組的觸發(fā)脈沖與共陽(yáng)極組的觸發(fā)脈沖對(duì)同一相來(lái)說(shuō)，例如都是a相，在相位上差多少度？答：相差180176。 11．三相半波可控整流電路，U2=100V，帶電阻電感負(fù)載，R=5Ω，L值極大，當(dāng)a=60176。時(shí)，要求：① 畫(huà)出ud、id和iVT1的波形；② 計(jì)算Ud、Id、IdT和IVT。解：①u(mài)d、id和iVT1的波形如下圖： ②Ud、Id、IdT和IVT分別如下Ud＝＝100cos60176。＝（V）Id＝Ud∕R＝∕5＝（A）IdVT＝Id∕3＝∕3＝（A）IVT＝Id∕＝（A） 12．在三相橋式全控整流電路中，電阻負(fù)載，如果有一個(gè)晶閘管不能導(dǎo)通，此時(shí)的整流電壓ud波形如何？如果有一個(gè)晶閘管被擊穿而短路，其他晶閘管受什么影響？答：假設(shè)VT1不能導(dǎo)通，整流電壓ud波形如下：假設(shè)VT1被擊穿而短路，則當(dāng)晶閘管VT3或VT5導(dǎo)通時(shí)，將發(fā)生電源相間短路，使得VTVT5也可能分別被擊穿。 13．三相橋式全控整流電路，U2=100V，帶電阻電感負(fù)載，R=5Ω，L值極大，當(dāng)a=60176。時(shí)，要求：① 畫(huà)出ud