【正文】 電力電子技術(shù)答案電力電子技術(shù)習(xí)題集標(biāo) * 的習(xí)題是課本上沒有的，作為習(xí)題的擴(kuò)展習(xí)題一* 試說明什么是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)及其作用。答：當(dāng)PN結(jié)通過正向大電流時(shí)，大量空穴被注入基區(qū)（通常是N型材料），基區(qū)的空穴濃度（少子）大幅度增加，這些載流子來不及和基區(qū)的電子中和就到達(dá)負(fù)極。為了維持基區(qū)半導(dǎo)體的電中性，基區(qū)的多子（電子）濃度也要相應(yīng)大幅度增加。這就意味著，在大注入的條件下原始基片的電阻率實(shí)際上大大地下降了，也就是電導(dǎo)率大大增加了。這種現(xiàn)象被稱為基區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使半導(dǎo)體器件的通態(tài)壓降降低，通態(tài)損耗下降；但是會(huì)帶來反向恢復(fù)問題，使關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，相應(yīng)也增加了開關(guān)損耗。1. 晶閘管正常導(dǎo)通的條件是什么，導(dǎo)通后流過的電流由什么決定？晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷的條件是什么，如何實(shí)現(xiàn)？答：使晶閘管導(dǎo)通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓（UAK0），并在門極施加觸發(fā)電流（UGK0）。2. 有時(shí)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，觸發(fā)脈沖結(jié)束后它又關(guān)斷了，是何原因？答：這是由于晶閘管的陽極電流IA沒有達(dá)到晶閘管的擎住電流（IL）就去掉了觸發(fā)脈沖，這種情況下，晶閘管將自動(dòng)返回阻斷狀態(tài)。在具體電路中，由于陽極電流上升到擎住電流需要一定的時(shí)間（主要由外電路結(jié)構(gòu)決定），所以門極觸發(fā)信號(hào)需要保證一定的寬度。* 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)通的條件是使其陽極電流IA大于能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流，即維持電流IH。 要使晶閘管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，可利用外加反向電壓或由外電路作用使流過晶閘管的電流降到維持電流以下，便可使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。3. 圖130中的陰影部分表示流過晶閘管的電流波形，其最大值均為Im，試計(jì)算各波形的電流平均值、有效值。如不考慮安全裕量，額定電流100A的晶閘管，流過上述電流波形時(shí)，允許流過的電流平均值Id各位多少？圖130 習(xí)題14附圖解：（a） 額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值Ida為：（b）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值Idb為：（c）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值Idc為：（d）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則；平均值Idd為：（e）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則：平均值Ide為：（f）額定電流100A的晶閘管允許流過的電流有效值為157A，則：平均值Ide為： * 在圖131所示電路中，若使用一次脈沖觸發(fā)，試問為保證晶閘管充分導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖寬度至少要多寬？圖中，E=50V；L=；R=。 IL=50mA（擎住電流）。 圖131習(xí)題15附圖 圖132習(xí)題19附圖解：晶閘管可靠導(dǎo)通的條件是：必須保證當(dāng)陽極電流上升到大于擎住電流之后才能撤掉觸發(fā)脈沖。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)有下式成立：解之得：可靠導(dǎo)通條件為：解得：即 也即觸發(fā)脈沖寬度至少要500μs4. 為什么晶閘管不能用門極負(fù)脈沖信號(hào)關(guān)斷陽極電流，而GTO卻可以？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α1和α2，由普通晶閘管得分析可得，α1＋α2＝1是器件臨界導(dǎo)通的條件。α1＋α21兩個(gè)晶體管飽和導(dǎo)通；α1＋α21不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。GTO能關(guān)斷，而普通晶閘管不能是因?yàn)镚TO在結(jié)構(gòu)和工藝上有以下幾點(diǎn)不同：A 多元集成結(jié)構(gòu)使每個(gè)GTO元的陰極面積很小，門極和陰極的距離縮短，從而使從門極抽出較大的電流成為可能。B GTO導(dǎo)通時(shí)α1＋α2更接近1，晶閘管α1＋α2，而GTO則為α1＋α2≈，飽和程度不深，在門極控制下易于退出飽和。C GTO在設(shè)計(jì)時(shí)，α2較大，晶體管V2控制靈敏，而α1很小，這樣晶體管V1的集電極電流不大，易于從門極將電流抽出，從而使GTO關(guān)斷。* GTO與GTR同為電流控制器件，前者的觸發(fā)信號(hào)與后者的驅(qū)動(dòng)信號(hào)有哪些異同？答：二者都是電流型驅(qū)動(dòng)型器件，其開通和關(guān)斷都要求有相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，要求其觸發(fā)電流脈沖的上升沿陡且實(shí)行強(qiáng)觸發(fā)。GTR要求在導(dǎo)通期間一直提供門極觸發(fā)電流信號(hào)，而GTO當(dāng)器件導(dǎo)通后可以去掉門極觸發(fā)電流信號(hào)；GTO的電流增益（尤其是關(guān)斷電流增益很小）小于GTR，無論是開通還是關(guān)斷都要求觸發(fā)電流有足夠的幅值和陡度，其對(duì)觸發(fā)電流信號(hào)（尤其是關(guān)斷門極負(fù)脈沖電流信號(hào)）的要求比GTR高。5. 試比較GTR、GTO、MOSFET、IGBT之間的差異和各自的優(yōu)缺點(diǎn)及主要應(yīng)用領(lǐng)域。答：見下表器件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域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，電流驅(qū)動(dòng)型需要驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在2次擊穿問題UPS、空調(diào)等中小功率中頻場(chǎng)合GTO電壓、電流容量很大，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)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率很大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低高壓直流輸電、高壓靜止無功補(bǔ)償、高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電力機(jī)車地鐵等高壓大功率場(chǎng)合。MOSFET開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小，工作頻率高，門極輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，需要的驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，沒有2次擊穿問題電流容量小，耐壓低，通態(tài)損耗較大，一般適合于高頻小功率場(chǎng)合開關(guān)電源、日用電氣、民用軍用高頻電子產(chǎn)品IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，通態(tài)壓降低，電壓、電流容量較高。門極輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單開關(guān)速度不及電力MOSFET，電壓、電流容量不及GTO。電機(jī)調(diào)速，逆變器、變頻器等中等功率、中等頻率的場(chǎng)合，已取代GTR。是目前應(yīng)用最廣泛的電力電子器件。* 請(qǐng)將VDMOS（或IGBT）管柵極電流波形畫于圖132中，并說明電流峰值和柵極電阻有何關(guān)系以及柵極電阻的作用。答： VDMOSFET和IGBT都是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，由于存在門極電容，其門極電流的波形類似于通過門極電阻向門極電容的充電過程，其峰值電流為Ip＝UGE/RG。柵極電阻的大小對(duì)器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)開關(guān)特性有很大的影響：RG增加，則開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間、開通損耗關(guān)斷損耗增加；和位移電流減?。挥|發(fā)電路振蕩抑止能力強(qiáng)，反之則作用相反。因此在損耗容許的條件下，RG可選大些以保證器件的安全，具體選擇要根據(jù)實(shí)際電路選。典型的應(yīng)用參數(shù)為：＋UGE＝15V，－UGE＝－(5~10)V，RG＝10～50歐* 全控型器件的緩沖吸收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：緩沖電路的主要作用是抑止器件在開關(guān)過程中出現(xiàn)的過高的、和過電壓，減小器件的開關(guān)損耗保證器件工作在安全范圍之內(nèi)。RCD緩沖電路中主要是為了防止器件關(guān)斷過程中的過電壓。器件關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)二極管D向吸收電容C充電，使器件兩端的電壓由0緩慢上升，減緩，一方面可以抑止過電壓，一方面可以減小關(guān)斷損耗；開通時(shí)，吸收電容的能量經(jīng)電阻R向器件放電，為下次關(guān)斷做好準(zhǔn)備，電阻R的作用是限制放電電流的大小、抑止緩沖電路的振蕩。* 限制功率MOSFET應(yīng)用的主要原因是什么？實(shí)際使用時(shí)如何提高M(jìn)OSFET的功率容量？答：限制功率MOSFET應(yīng)用的主要原因是其電壓、電流容量難以做大。因?yàn)镸OSFET是單極性器件，所以通態(tài)損耗較大，其通態(tài)電阻為。高壓大電流時(shí)，其通態(tài)電阻（對(duì)應(yīng)損耗）達(dá)到令人難以接受的程度（目前的市場(chǎng)水平最大為1200V/36A）。實(shí)際使用時(shí)由于MOSFET具有正的溫度系數(shù)，可以方便地采用多管串并聯(lián)的方法來提高其功率容量。習(xí)題二1*．具有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路，帶阻感性負(fù)載，電阻為5?，電源電壓的有效值為220V，直流平均電流為10A，試計(jì)算晶閘管和續(xù)流二極管的電流有效值，并指出晶閘管的電壓定額（考慮電壓23倍裕度）。解：本題困難，可不作為習(xí)題要求。電路上圖所示。設(shè)觸發(fā)角為α，則在α～π期間晶閘管導(dǎo)通，其直流輸出電壓Ud如圖（b）所示；在0～α和π～2π＋α期間，續(xù)流二極管導(dǎo)通，直流輸出電壓為0，則直流平均電壓為帶入已知參數(shù)可得，即。設(shè)晶閘管開始導(dǎo)通時(shí)的電流值為I0，晶閘管關(guān)斷、二極管開始導(dǎo)通時(shí)的電流值為I1，則在晶閘管導(dǎo)通期間的回路方程為：由（1）可得方程的通解為 （4）帶入式（2）的初值條件，解得將上式帶入（4）并將已知參數(shù)帶入可得將式（3）的條件帶入得 （5）當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，電流表達(dá)式為在ωt=2π＋π/2處，i=I0，可得I1和I0之間的關(guān)系 （6）由（5）、（6）可解得則得電流的完全表達(dá)式如下 （7）按照（7）用解析方法求解晶閘管和二極管的電流有效值非常復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，用I1和I0之間的直線段來代替實(shí)際的曲線方程（由于L較大，這種代替不會(huì)帶來很大誤差）。則晶閘管和二極管的電流有效值分別為從圖（g）可以看出，晶閘管承受的反壓為電源電壓峰值，即，考慮3倍安全余量可選耐壓1000V的晶閘管。2．單相橋式全控整流電路接電阻性負(fù)載，要求輸出電壓在0～100V連續(xù)可調(diào)，輸出電壓平均值為30 V時(shí)，負(fù)載電流平均值達(dá)到20A。系統(tǒng)采用220V的交流電壓通過降壓變壓器供電，且晶閘管的最小控制角αmin＝30176。，（設(shè)降壓變壓器為理想變壓器）。試求： （1）變壓器二次側(cè)電流有效值I2； （2）考慮安全裕量，選擇晶閘管電壓、電流定額； （3）作出α＝60176。時(shí)，ud、id和變壓器二次側(cè)i2的波形。解：由題意可知負(fù)載電阻歐，單相全控整流的直流輸出電壓為直流輸出最大為100V，且此時(shí)的最小控制角為αmin＝30176。，帶入上式可求得（1） αmin＝30176。時(shí)，（2）晶閘管的電流有效值和承受電壓峰值分別為 考慮3倍余量，選器件耐壓為1683＝500V；電流為()3＝100A（3） 3．試作出圖27所示的單相橋式半控整流電路帶大電感負(fù)載，在α＝30176。時(shí)的ud、id、iVTiVD4的波形。并計(jì)算此時(shí)輸出電壓和電流的平均值。解：輸出電壓和電流的平均值分別為：4．單相橋式全控整流電路，U2＝100V，負(fù)載中R＝2 ?，L值極大，反電動(dòng)勢(shì)E＝60V，當(dāng)α＝30176。時(shí)，試求： （1）作出ud、id和i2的波形； （2）求整流輸出電壓平均值Ud、電流Id，以及變壓器二次側(cè)電流有效值I2。解：整流輸出電壓平均值Ud、電流Id，以及變壓器二次側(cè)電流有效值I2分別為： 5. 某一大電感負(fù)載采用單相半控橋式整流接有續(xù)流二極管的電路，負(fù)載電阻R=4Ω，電源電壓U2=220V，α=π/3，求：(1) 輸出直流平均電壓和輸出直流平均電流；(2) 流過晶閘管（整流二極管）的電流有效值；(3) 流過續(xù)流二極管的電流有效值。解：（1）電路波形圖見第3題（2）（3）6． 三相半波可控整流電路的共陰極接法和共陽極接法，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?？試作出共陽極接法的三相半波可控的整流電路在α＝30176。時(shí)的ud、iVTuVT1的波形。解：a、b兩相的自然換相點(diǎn)不是同一點(diǎn)，它們?cè)谙辔簧喜疃嗌?80度，見下圖。共陽極接法的三相半波可控的整流電路在α＝30176。時(shí)的ud、iVTuVT1的波形如下圖7. 三相半波可控整流電路帶大電感性負(fù)載，α＝π/3，R=2Ω，U2=220V，試計(jì)算負(fù)載電流Id，并按裕量系數(shù)2確定晶閘管的額定電流和電壓。解：按裕量系數(shù)2確定晶閘管的電流定額為：；電壓定額為：* 三相半波共陰極接法的整流電路中，如果c相的觸發(fā)脈沖消失，試?yán)L出在電阻性負(fù)載和大電感性負(fù)載下整流的輸出電壓Ud（α＝300）。解：電阻負(fù)載時(shí)波形如下圖：大電感負(fù)載時(shí)的波形為： *** 三相橋式全控整流電路中，如果c相上橋臂晶閘管（第5號(hào)管）的觸發(fā)脈沖消失，試?yán)L出在電阻性負(fù)載和大電感性負(fù)載下整流的輸出電壓Ud（α＝600）。解：電阻負(fù)載時(shí)波形解釋：當(dāng)4號(hào)晶閘管導(dǎo)通（直流輸出為Uba）完即將切換到5號(hào)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，由于5號(hào)晶閘管觸