【正文】 目 錄 第 1章 電力電子器件 178。178。178。178。178。178。178。178。178。 1 第 2章 整流電路 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 4 第 3章 直流斬波電路 178。178。178。178。178。178。178。178。178。 20 第 4章 交流電力控制電路和交交變頻電路 178。 26 第 5章 逆變電路 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 31 第 6章 PWM控制技術 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 35 第 7章 軟開關技術 178。178。178。178。178。178。178。178。178。178。 40 第 8章 組合變流電路 178。178。178。178。178。178。178。178。178。 42 第 1 章 電力電子器件 1. 使晶閘管導通的條件是什么？ 答：使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓，并在門極施加觸發(fā)電流（脈沖）?；颍?uAK0且 uGK0。 2. 維持晶閘管導通的條件是什么？怎樣才能使晶閘管由導通變 為關斷？ 答：維持晶閘管導通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導通的最小電流，即維持電流。 要使晶閘管由導通變?yōu)殛P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，便可使導通的晶閘管關斷。 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 晶閘管導電波形 解： a) Id1=π21 ??? ??4 )(sin ttdIm=π2mI ( 122? )? Im I1= ??? ??? 4 2 )()sin(21 tdtI m=2mI?2143? ? Im b) Id2 =π1 ??? ??4 )(sin ttdIm=πmI ( 122? )? Im I2 = ??? ??? 4 2 )()sin(1 tdtI m= 22mI?2143? ? m c) Id3=π21 ?20 )(? ?tdIm=41 Im I3 = ?20 2 )(21 ? ?? tdIm =21 Im 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，相應的電流最大值 Im Im Im3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，由上題計算結果知 a) Im1? ?， 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 結構 ， 為什么 GTO能夠自關斷 ， 而普通晶閘管不能 ？ 答： GTO和普通晶閘管同為 PNPN結構，由 P1N1P2和 N1P2N2構成兩個晶體管 V V2,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是器件臨界導通的條件。 1? +2? ＞ 1，兩個等效晶體管過飽和而導通；1? + 2? ＜ 1，不能維持飽和導通而關斷。 GTO 之所以能夠自行關斷，而普通晶閘管不 能，是因為 GTO 與普通晶閘管在設計和工藝方面有以下幾點不同： 1) GTO在設計時 2? 較大，這樣晶體管 V2控制靈敏，易于 GTO關斷； 2) GTO 導通時的 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，這樣為門極控制關斷提供了有利條件； 3) 多元集成結構使每個 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因靜電感應應起的損壞？ 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因靜電感應而引起的損壞，應注意以下 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，并有一定的過沖，這樣可加速開通過程，減小開通損耗，關斷時，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)動電流的前沿應有足夠的幅值和陡度，且一般需要在整個導通期間施加正門極電流，關斷需施加負門極電流，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；關斷時，負載電流經(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 開關速度高，開關損耗小，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，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低 開關速度低，為電流驅(qū)動，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜，存在二次擊穿問題 GTO 電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導調(diào)制效應，其通流能力很強 電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜，開關頻率低 電 力 MOSFET 開關速度快，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 第 2 章 整流電路 1. 單相半波可控整流電路對電感負載供電， L＝20mH， U2＝ 100V，求當α＝ 0?和 60?時的負載電流 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通時，負載電感 L 儲能，在晶閘管開始導通時刻，負載電流為零。在電源電壓 u2的負半周期，負載電感 L釋放能量，晶閘 管繼續(xù)導通。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 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α＝ 60176。時，在 u2正半周期 60?~180?期間晶閘管導通使電感 L儲能，電感 L儲藏的能量在 u2負半周期 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 t＝ 60?時 id＝ 0可解方程得： )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當負載是電阻或電感時，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 VT1導通時，晶閘管VT2通過 VT1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，對于電阻負載：（ 0~α）期間無晶閘管導通，輸出電壓為 0；（α ~π）期間，單相全波電 路中 VT1 導通，單相全控橋電路中 VT VT4導通，輸出電壓均與電源電壓 u2 相等； (π ~π＋α )期間，均無晶閘管導通，輸出電壓為 0； (π＋α ~ 2π )期間，單相全波電路中 VT2導通，單相全控橋電路中 VT VT3導通，輸出電壓等于 u2。 對于電感負載：（α ~ π＋α）期間，單相全波電路中 VT1導通，單相全控橋電路中 VT VT4導通，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導通，單相全控橋電路中 VTVT3導通，輸出波形等于 u2。 可見，兩者的輸出電壓相 同，加到同樣的負載上時，則輸出電流也相同。 3．單相橋式全控整流電路， U2＝ 100V，負載中 R＝ 2Ω， L值極大，當α＝ 30176。時，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： u2O ? tO ? tO ? tudidi2O ? tIdId???? 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＝ 179。 100179。 cos30176。＝ （ 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）179。 ＝ 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）179。 ∕ ＝ 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：承受電壓為正即導通。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： 0 ? 2 ? ? t? t? tu2uV D 2uV D 400 5．單相橋式全控整流電路， U2=