电力电子变流技术 全本书课后答案

第一章 电力半导体器件

习题与思考题解

1-1．晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？

解：晶闸管导通的条件是：阳极承受正向电压，处于阻断状态的晶闸管，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。门极所加正向触发脉冲的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流，即擎住电流ＩＬ以上。导通后的晶闸管管压降很小。

使导通了的晶闸管关断的条件是：使流过晶闸管的电流减小至某个小的数值－维持电流

ＩＨ以下。其方法有二：

１）减小正向阳极电压至某一最小值以下，或加反向阳极电压； ２）增加负载回路中的电阻。

1-2．型号为KP100-3的晶闸管，维持电流IH=4mA，使用在题1-2图中的电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？

解：根据机械工业部标准JB1144-75规定，ＫＰ型为普通闸管，KP100-3的晶闸管，其中100是指允许流过晶闸管的额定通态平均电流为100A，3表示额定电压为300V。

对于图(a)，假若晶闸管V被触发开通，由于电源为直流电源，则晶闸管流过的最大电流为

IV?100?2?mA? 3500?10因为IV < IH，而IH < IL，IL为擎住电流，通常IL=(2~4) IH。可见，晶闸管流过的最大电流远小于擎住电流，所以，图(a)不合理。

对于图(b)，电源为交流220V，当α=0°时，最大输出平均电压

U?d?0.45U2?0.45?220?99（Ｖ）

平均电流

IVARUd99??9.9(A) R10?IV?1.57 IVAR波形系数

Kf所以， ＩＶ＝Kf 。ＩＶＡＲ＝1.57×9.9＝15.5(A)

而KP100-3允许流过的电流有效值为IVE＝1.57×100＝157(A)， IL< IV

但电路中晶闸管Ｖ可能承受的最大正反向峰值电压为

UFm?URm?2U?2?220?311(V)>300(V)

所以，图(b)不满足电压指标，不合理。

对于图(c)，电源为直流电源，Ｖ触发导通后，流过Ｖ的最大电流为IV＝150／1＝150(A),即为平均值，亦是有效值。而IVE＝150A，IV＝150(A)<157（A），即IL< IV

1-3．在题图1-3电路中，E=50V，R=0.5Ω，L=0.5H，晶闸管擎住电流为15mA。要使晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？

解：晶闸管导通后，主回路电压方程为 L主电路电流id按下式由零上升

id?did?Rid?E dtE1?e?tR/L R??晶闸管要维持导通，id必须上升达到擎住电流值以上，在此期间，门极脉冲应继续维持，将Id=15mA代入，得

取e?t501?e?t?15?10?3 0.5???1?t，

t≥150μs。 所以，门极触发电流脉冲宽度至少应大于150μs。

1-4．单相正弦交流电源，交流电源电压有效值为220V。晶闸管和负载电阻串联连接。试计算晶闸管实际承受的最大正反向电压。若考虑晶闸管的安全裕量，其额定电压应如何选取？

解：该电路运行可能出现施加于晶闸管上最大正反向峰值电压为

2U?2?220?310（V）

若考虑晶闸管的安全裕量，通常选择额定电压为正常工作峰值电压的2－3倍。２×310＝620(V),

3×310＝930(V),则选择额定电压为700V～1000V的晶闸管。

1-5．若题1-4中晶闸管的通态平均电流为100A，考虑晶闸管的安全裕量，试分别计算导电角为180°和90°时，电路允许的峰值电流各是多少？

解： 在不考虑安全裕量时，选择晶闸管的原则是：使实际运行管子电流的有效值IV1

等于定义管子额定通态平均电流时的电流有效值IVE，即两种情况下，管芯的结温相同并小于或等于额定结温。

当导通角θ＝180°时，

IV1?12?2??Isin?td??t???0m?Im 2则有 Im/2＝1.57IVEAR 所以，晶闸管允许的峰值电流为

Ｉm=2×1.57×100＝314（Ａ） 当导通角θ＝90°时， IV1?12?2??Isin?td??t????m2?Im22

则有

Im22?1.57IVEAR

所以，晶闸管允许的峰值电流为

Im?22?1.57?100?444(A)

考虑取安全裕量数为2时，则当导通角θ＝180°时，电路允许的峰值电流为 Im1=314／2＝157Ａ， 当导通角θ＝90°时，电路允许的峰值电流为

Ｉm2＝444／2＝222(A).

1-6.题1-6图中阴影部分表示晶闸管导电区间。各波形的电流最大值均为Im,试计算各波形电流平均值Id1、Id2、Id3、Id4、Id5，电流有效值I1、I2、I3、I4、I5和它们的波形系数Kf1、

Kf2、Kf3、Kf4、Kf5.

解： Id1?12?12???0Im.Sin?td??t??Im??0.32Im Im?0.5Im 2 I1?2?0?ImSin?t?d??t??? Kfe?I1???1.57 Id12 Id2?12?12????Im.Sin?td??t??33Im?0.24Im 4? I2????I3?mSin?t?d??t??0.46Im

2 Kf2?0.49Im?1.92

0.23Im Id32?2????3Im.Sin?td??t??2Id2??3Im?0.48Im 2? I3?22?2??ISin?td??t???m?2I2?0.65Im

3 Kf3?I30.65Im??1.35 Id30.48ImIm???Im?????0.25Im 2??2?4Im?0.5Im 2 Id41?2?12???20Im.dt?? I4??202Imdt? Kf4?I4Id4Im?2?2 Im4Im2????I????m?0.125Im ?4?8 Id51?2???40Im.dt? I5?12???402Imdt?Im22?0.35Im

Im Kf5?I4?22?2.83

ImId48

1-7．题1-6中如果不考虑安全裕量，问100A晶闸管能送出的电流平均值Id1、Id2、Id3、

Id4、Id5各是多少？这时相应的电流最大值Im1、Im2、Im3、Im4、Im5又是多少？

解：额定通态平均电流IVEAR为100A的晶闸管允许通过电流的有效值为

IVE?IVEAR?kfe1?100?1.57?157A

利用上题结果，图(a)

I1?Im1?IVE?157A 2则 Im1=314(A)

Id1?Im??314?100A 3.14图（b）

I2?0.46Im?IVE?157A

则 Im２=341(A) 图(c)

Id2?0.24Im?81.8A

I3?0.65Im?IVE?157A

则 Im３=241(A) 图(d)

Id3?0.48Im?115.9A

I4?0.5Im?IVE?157A

则 Im４=314(A)

Id4?0.25Im?78.5A

图(e)

I5?122Im?IVE?157A

则 Im5=444(A)

Id5?Im444??55.5A 88 1-8．晶闸管的额定电流是怎样定义的？有效值和平均值之间有何关系？

解：晶闸管的额定电流即指其额定通态平均电流ＩVEAR .它是在规定的条件下，晶闸管允 许连续通过工频正弦半波电流的最大平均值。如教材图1-8所示。

这些条件是：环境温度+４０℃，冷却条件按规定，单相半波整流电路为电阻负载，导通角不小于170℃，晶闸管结温不超过额定值。

额定通态平均电流ＩVEAR的电流等级如教材表１－２所示。通常50Ａ以下的管子分为1、5、10、20、30、50Ａ等级，100－1000Ａ的管子分为100、200、300、400、500、600、800、1000Ａ等级。

额定通态平均电流ＩVEAR与在同一定义条件下的有效值IVE具有如下关系： IVE?Kfe.IVEAR 其中， Kfe?

1-9．导通角θ不同，电流的波形不一样，如何来选择晶闸管的电流容量？

解：导通角θ不同，电流的波形不一样，因而波形系数亦不相同，θ角愈小，波形系数愈大。晶闸管电流的有效值、平均值ＩV1AR 与波形系数Kf1具有如下关系： IV1 = Kf1ＩV1AR

具有相同平均值而波形不同的电流，因波形不同，其有效值是不相同的。流经同一晶闸管发热情况也不相同，因为决定发热的因素是电流的有效值，管芯发热效应是和电流的有效值大小有关。

因此，选择晶闸管额定电流参数的原则是：使电路各种实际运行情况下（特别是最不利的情况）管芯的结温小于或等于额定结温。这样，就能保证晶闸管在实际运行工作时，不致于因电流过载而损坏。

上述这一原则可归结为：使实际运行管子电流波形的有效值ＩV1，等于定义管子额定通态平均电流ＩVEAR时的电流有效值IVE ，即

IVEIVEAR??2?1.57 为定义条件下的波形系数。

IV1?IVE?Kfe.IVEAR 则晶闸管额定电流

IVEAR?IV1I?V1 Kfe1.57 1-10．晶闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，会发生什么情况？

解：晶闸管承受正向阳极电压，并已导通的情况下，门极就失去了控制作用。因此，晶闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，晶闸管将保持导通状态不变。

1-11．门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压它会导通吗？若真的导通，是什么情况？

解：门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压，有两种情况可造成晶闸管的非正常导通。一是阳极电压UA过高，达到或超过IG＝０时的转折电压UB0时，使漏电流急剧增加；二是UA的电压上升率duA／dt太快。

这两种因素造成的最终结果都是使从N1区通过反向偏置的J2结向P2区（门极区）注入了足够数量的漏电流（空穴流），充当了二等效三极管电路中的基极电流IB2，它相当于从门极提供的IG的作用，使其二等效三极管的α1、α2极快上升至α1＋α2≈１，即1-(α1＋α2)≈０，进而使阳极电流IA大大增加，并只受外电路电阻的限制，晶闸管进入导通状态。

这两种不加门极触发控制信号使晶闸管从阻断状态转入导通状态的情况是非正常工作状态，在实际使用中是不允许的，因为发生此类情况常造成器件的损坏。

1-12．晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点是什么？

解：晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点如下： (1). 快速晶闸管

快速晶闸管的开关时间短，动态特性比普通晶闸管好，快速晶闸管一般分为两种，一种是主要是关断时间短，另一种是di／dt是耐受量高。主要用于斩波与高频逆变电路。

(2)。双向晶闸管

双向晶闸管是一种五层结构的三端器件，具有四种触发方式，分别为Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+、Ⅲ

=

，其中Ⅰ+、Ⅰ-触发灵敏度较高，Ⅲ_触发灵敏度稍低，较为常用，而Ⅲ+触发灵敏度最低，

一般不用，使用不当会损坏晶闸管。双向晶闸管主要用于交流电路，例如移相调压控制、零

电压开关和静态开关等。由于其内部工艺结构关系，目前器件的额定电压和额定电流与普通晶闸管相比较还较低，重施加du／dt的能力也较差。

(3)。逆导晶闸管

逆导晶闸管是将逆阻型晶闸管和大功率二极管集成在一个管芯上，与普通晶闸管相比，具有正向压降小、关断时间短、温度特性较好、额定结温高等优点。同时，消除了晶闸管与二极管之间的连线电感，减小了换流时间，使晶闸管承受反向偏压的时间增长，提高了换流能力。而且减少了装置的元件数目，缩小了体积，提高了经济性能。主要适用于逆变电路和斩波电路。

(4).可关断晶闸管（ＧＴＯ）

可关断晶闸管ＧＴＯ（Gate Turn-off Thyristor）既可用门极正脉冲信号控制其导通，又可用门极负脉冲信号控制其关断的逆阻型三端器件。与普通晶闸管相比，ＧＴＯ快速性好，工作频率高，控制方便，其最高耐压容量目前稍逊于普通晶闸管。

ＧＴＯ与普通晶闸管的关断机理不同，有两个重要的特征参数需要特别注意，分别为最大可关断电流ＩＡＴＯ和电流关断增益β

off

。其定义分别为

最大可关断电流ＩＡＴＯ：表征用门极负脉冲控制信号可关断的最大阳极电流，它是用来表征ＧＴＯ容量大小的参数。

电流关断增益β流ＩＧmin的比值，即

?off?通常ＧＴＯ的β

off

：电流关断增益的定义为阳极电流ＩＡ与使其关断所需的最小门极电

IA

?IGminoff

只有５左右，但是，ＧＴＯ的导通或关断只需一个窄脉冲电流即可，

它需要的是瞬时功率，尽管关断时需要较大的负门极电流，但平均功率较小。因此，ＧＴＯ的平均激励功率，比相同容量的大功率晶体管小。

1-13．何谓功率晶体管的开关特性？用图描述它的开关过程。

功率晶体管的开关特性是描述功率晶体管在开关过程中的开关时间、电流电压、开关损耗等参数的性能。

功率晶体管ＧＴＲ的开关时间可用开通时间ton和关断时间toff来表示，即 ton=td+tr toff=ts+tf

其中，td为延迟时间，tr为上升时间，ts为存值得时间，tf为下降时间。

开关损耗发生在器件的开关过程中，瞬态功率损耗为 ?p=iCuc

维持的时间长了，就有可能导致管子产生二次击穿。总开关损耗与开关频率（开关次数）有关，开关频率愈高，总开关损耗愈大。

各种参数的开关性能描述图参阅教材P18~19中的图1-15和图1-16。

1-14．描述功率晶体管的二次击穿特性？

解：二次击穿现象在发射结正偏压、零偏压和反偏压都可能发生，其特性曲线参阅教材P19中的图１－１７。

现以零偏压曲线OEBGH来说明二次击穿现象的发生过程。当ＵＣＥ增大到ＵＳＢ，即达到Ｅ点时，集电极电压达到通常所说的击穿电压，集电结发生雪崩击穿，这就是一次击穿。

由于一次击穿效应，晶体管的电流迅速上升到Ｂ点，达到ＩＳＢ，即达到了二次击穿触发功率ＰＳＢ，进入了二次击穿区。但并不立即产生二次击穿，而需要一个触发时间来积累触发能量临界值，一旦达到这个临界值，管压突然从Ｂ点ＵＳＢ减小到Ｇ点的低电压区（10～15V），同时电流急剧增大。如果没有适当的保护措施，电流将继续沿ＧＨ曲线增大到Ｈ点，造成管子的永久性损坏。这种从高电压小电流向低电压大电流跃变的现象，称为晶体管的二次击穿。

二次击穿触发时间τ，对于不同类型的二次击穿，时间的长短相差很大，短的几乎是瞬时的，晶体管的状态不能稳定在Ｂ～Ｇ区域内，而且Ｇ点是不可逆的，即使电路的保护措施可使晶体管回到触发前的状态，但二次击穿已在管子内部留下了损害伤痕，性能变坏，重复几次仍然使管子永久性失效。

1-5．为什么功率晶体管在开关瞬变过程中容易被击穿？可采取什么措施防止？

解：在电路开关转换瞬变过程中，电路将产生过高的电压或电流，有可能达到二次击穿触发功率ＰＳＢ＝ＩＳＢ．ＵＳＢ，进而达到二次击穿临界触发能量 ＥＳＢ＝ＰＳＢτ＝ＩＳＢＵＳＢτ，产生二次击穿。

采用错开关期间瞬变电流和电压最大值相位的缓冲吸收保护电路，减小开关期间的瞬时功率，是破坏二次击穿产生的条件，抑制二次击穿的有效措施。

1-16．功率晶体管反偏安全工作区很大，如何应用？

解：在实际应用中，功率晶体管基极回路采用足够的反向偏置电压，或者在若关断功率晶体管时，驱动电路产生负脉冲关断电压，使晶闸管工作在反向偏置工作区，来提高管子的电压承受能力。

1-17．绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT）有何突出的优点？

解：绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT）是兼备功率场效应管MOSFET的栅极电压激励、高速开关特性和GTR的大电流低导通电阻特性于一体的复合型器件。 1-18．MOS栅控晶闸管（MCT）有何突出的优点？

解：MOS栅控晶闸管（MCT）是将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率与快速的开关特性与晶闸管的高电压大电流特性结合在一起的新型复合器件。

1-19．功率集成电路PIC的基本结构组成如何？

解：功率集成电路PIC至少包含一个半导体功率器件和一个独立功能电路的单片集成电路， PIC分为两大类：一类是高压集成电路HVIC，它是高耐压功率电子器件与控制电路的单片集成；另一类是智能功率集成电路SPIC(Smart Power-IC)，它是功率电子开关器件与控制电路、保护电路、故障监测电路以及传感器等电路的多种功能电路的集成。

第二章 单相可控整流电路

习题与思考题解

2-1．什么是整流？它是利用半导体二极管和晶闸管的哪些特性来实现的？

解：整流电路是一种AC／DC变换电路，即将交流电能变换为直流电能的电路，它是利用半导体二极管的单向导电性和晶闸管是半控型器件的特性来实现的。

2-2．某一电热装置（电阻性负载），要求直流平均电压为75V，电流为20A，采用单相半波可控整流电路直接从220V交流电网供电。计算晶闸管的控制角α、导通角θ、负载电流有效值，并选择晶闸管。 解：(1)整流输出平均电压

Ｕd=

12???2?2U2sin?.td(?.t)=

12????2U2sin?.td(?.t)

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