【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 軟開關(guān)技術(shù) 40 第 8 章 組合變流電路 42 1 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：晶閘管承受正向陽極電壓，并在門極施加觸發(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，試計算各波形的電流平均值 Id Id Id3與電流有效值 I I I3。 0 02 ? 2 ?2 ?? ??4?4 ?25 ?4a) b) c)圖1 4 30 圖 143 晶閘管導(dǎo)電波形 解： a) Id1= π21 ??? ??4 )(sin ttdI m= π2mI ( 122? )? Im I1= ??? ??? 4 2 )()sin(21 tdtI m= 2mI?2143? ? Im b) Id2 =π1 ??? ??4 )(sin ttdI m=πmI ( 122? )? Im I2 = ??? ??? 4 2 )()sin(1 tdtI m= 2mI?2123? ? Im c) Id3= π21 ?20 )(? ?tdIm= I3 = ?20 2 )(21 ? ?? tdI m = 4. 上題中如果不考慮安全裕量 ,問 100A 的晶閘管能送出的平均電流 Id Id Id3各為多少？這時，相應(yīng)的電流最大值 Im Im Im3各為多少 ? 2 解：額定電流 I T(AV) =100A的晶閘管，允許的電流有效值 I =157A，由上題計算結(jié)果知 a) Im1? I ?， Id1? Im1? b) Im2? ?, Id2? Im2? c) Im3=2 I = 314, Id3=41 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)成兩個晶體管 VV2,分別具有共基極電流增益 1? 和 2? ，由普通晶閘管的分析可得， 1? + 2? =1 是器件臨界導(dǎo)通的條件。 1? + 2? ＞ 1，兩個等效晶體管過飽和而導(dǎo)通； 1? + 2? ＜ 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，是因為 GTO與普通晶閘管在設(shè)計和工藝方面有以下幾點不同： 1) GTO 在設(shè)計時 2? 較大，這樣晶體管 V2 控制靈敏，易于 GTO 關(guān)斷； 2) GTO 導(dǎo)通時的 1? + 2? 更接近于 1，普通晶閘管 1? + 2? ? ，而 GTO 則為1? + 2? ? ， 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 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。 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)柵極開路時極易受靜電干擾而充上超過 ? 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： ① 一般在不用時 將其三個電極短接； ② 裝配時人體、工作臺、電烙鐵必須接地，測試時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。 7. IGBT、 GTR、 GTO 和電力 MOSFET 的驅(qū)動電路各有什么特點？ 答： IGBT 驅(qū)動電路的特點是：驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻， IGBT 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 3 的過沖，這樣可加速開通過程，減小開通損耗，關(guān)斷 時，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：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。 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， Cs 經(jīng) Rs 放電， Rs起到限制放電電流的作用；關(guān)斷時，負(fù)載電流經(jīng) VDs 從 Cs分流，使 du/dt 減小，抑制過電壓。 9. 試說明 IGBT、 GTR、 GTO 和電力 MOSFET 各自的優(yōu)缺點。 解：對 IGBT、 GTR、 GTO 和電力 MOSFET 的優(yōu)缺點的比較如下表： 器 件 優(yōu) 點 缺 點 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，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 電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時門極負(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 4 第 2 章 整流電路 1. 單相半波可控整流電路對電感負(fù)載供電， L＝ 20mH， U2＝ 100V，求當(dāng) α ＝ 0和 60 時的負(fù)載電流 Id，并畫出 ud 與 id波形。 解： α ＝ 0 時，在電源電壓 u2的正半周期晶閘管導(dǎo)通時，負(fù)載電感 L 儲能，在晶閘管開始導(dǎo)通時刻，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 的一個周期里，以下方程均成立： tUtiL ?sin2dd 2d ? 考慮到初始條件：當(dāng) ?t＝ 0 時 id＝ 0 可解方程得： )c os1(2 2d tLUi ?? ?? ? ?? ? ???? 20 2d )(d)c os1(221 ttLUI = LU?22 =(A) ud與 id 的波形如下圖： 0 ? 2 ? ? tu20 ? 2 ? ? tud0 ? 2 ? ? tid 當(dāng) α ＝ 60176。時，在 u2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 u2一個周期中 60 ~300期間以下微分方程成立： tUtiL ?sin2dd 2d ? 考慮初始條件：當(dāng) ?t＝ 60 時 id＝ 0 可解方程得： 5 )c os21(2 2d tLUi ?? ?? 其平均值為 )(d)c os21(221 3532d ttLUI ???? ?? ?? ? = LU?22 2 =(A) 此時 ud與 id的波形如下圖 ： ? tudid+ +? t? tu20?+ + 2．圖 29 為具有變壓器中心抽頭的單相全波可控整流電路，問該變壓器還有直流磁化問題嗎？試說明： ① 晶閘管承受的最大反向電壓為 2 22U ； ② 當(dāng)負(fù)載是電阻或電感時，其輸出電壓和電流的波形與單相全控橋時相同。 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的問題。 因為單相全波可控整流電路變壓器二次測繞組中，正負(fù)半周內(nèi)上下繞組內(nèi)電流的方向相反，波形對稱，其一個周期內(nèi)的平均電流為零，故不會有直 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) VT 1導(dǎo)通時，晶閘管 VT2通過 VT 1與 2個變壓器二次繞組并聯(lián)，所以 VT2承受的最大電壓為 2 22U 。 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，對于電阻負(fù)載：（ 0~α ）期間無晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為 0；（ α ~π ）期間，單相全波電路中VT 1 導(dǎo)通，單相全控橋電路中 VT VT4 導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓 u2相等； (π ~π＋α )期間，均無晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為 0； (π＋α ~ 2π )期間，單相全波電路中 VT 2導(dǎo)通，單相全控橋電路中 VT VT 3導(dǎo)通，輸出電壓等于 ??u2。 對于電感負(fù)載：（ α ~ π＋α ）期間，單相全波電路中 VT 1導(dǎo)通，單相全控橋電路中 VT VT