(完整版)電力電子技術(第二版)第1章答案

1、第 1 章思考題與習題1.1 晶閘管的導通條件是什么?導通后流過晶閘管的電流和負載上的電壓由什么決定?答：晶閘管的導通條件是：晶閘管陽極和陽極間施加正向電壓，并在門極和陽極間施加正向觸發(fā)電壓和電流（或脈沖）。導通后流過晶閘管的電流由負載阻抗決定，負載上電壓由輸入陽極電壓UA 決定。1.2 晶閘管的關斷條件是什么?如何實現(xiàn) ?晶閘管處于阻斷狀態(tài)時其兩端的電壓大小由什么決定 ?答：晶閘管的關斷條件是：要使晶閘管由正向導通狀態(tài)轉變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，可采用陽極電壓反向使陽極電流IA 減小， I A 下降到維持電流IH 以下時，晶閘管內部建立的正反饋無法進行。進而實現(xiàn)晶閘管的關斷，其兩端電壓大小由電源電壓UA

2、 決定。1.3 溫度升高時，晶閘管的觸發(fā)電流、正反向漏電流、維持電流以及正向轉折電壓和反向擊穿電壓如何變化？答：溫度升高時， 晶閘管的觸發(fā)電流隨溫度升高而減小，正反向漏電流隨溫度升高而增大，維持電流I H 會減小，正向轉折電壓和反向擊穿電壓隨溫度升高而減小。1.4 晶閘管的非正常導通方式有哪幾種？答：非正常導通方式有：(1) I g=0 ，陽極電壓升高至相當高的數(shù)值；(1) 陽極電壓上升率du/dt 過高； (3) 結溫過高。1.5 請簡述晶閘管的關斷時間定義。答：晶閘管從正向陽極電流下降為零到它恢復正向阻斷能力所需的這段時間稱為關斷時間。即tq t rr t gr 。1.6 試說明晶閘管有哪

3、些派生器件？答：快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、光控晶閘管等。1.7 請簡述光控晶閘管的有關特征。答：光控晶閘管是在普通晶閘管的門極區(qū)集成了一個光電二極管，在光的照射下， 光電二極管電流增加， 此電流便可作為門極電觸發(fā)電流使晶閘管開通。主要用于高壓大功率場合。1.8 型號為 KP100-3 ，維持電流I H =4mA 的晶閘管，使用在圖題1.8 所示電路中是否合理，為什么 ?(暫不考慮電壓電流裕量)1圖題 1.8I A100V2mAI H答：（ a）因為50K，所以不合理。I A200V20 A(b) 因為10KP100100，裕量達倍，太大,的電流額定值為了。I A150V150A（ c

4、）因為1，大于額定值，所以不合理。1.9 圖題 1.9 中實線部分表示流過晶閘管的電流波形，其最大值均為I m ，試計算各圖的電流平均值電流有效值和波形系數(shù)。1I m sintd (t )I m解：圖 (a)：IT(AV )= 20=1(I m sint)2d(t)I mIT= 20= 2I TK f = I T ( AV ) =1.57圖題 1910 I m sintd (t)2圖(b) ：IT(AV )=I m1(I m sinI mt )2 d ( t)20=IT =I TK f = I T ( AV )=1.111I m sintd (t)3圖(c)：IT(AV )= 23I m2圖(

5、d) ：圖(e)：圖(f) ：1(I m sint )2d (t)130.63I mIT =3= I m38I TK f = I T ( AV )=1.261I m sintd (t )3IT(A V )= 2= 43I m1( I m sint)2d(t)130.52I m266IT =3= I mI TK f = I T ( AV )=1.7814 I md(t)I mIT(AV )= 2=8014 I m2t)I m2d (= 22IT =0I TK f = I T ( AV )=2.8312 I md (t )I mIT(AV )= 2=4012 I m2d (t)I mIT =20=

6、2I TK f = I T ( AV ) =21.10 上題中， 如不考慮安全裕量，問額定電流100A 的晶閘管允許流過的平均電流分別是多少 ?解： (a)圖波形系數(shù)為1.57，則有： 1.57IT(AV ) =1.57100A ,IT(A V) = 100 A(b)圖波形系數(shù)為1.11，則有： 1.11IT (AV ) =1.57100A ,IT(A V)=141.4A(c)圖波形系數(shù)為1.26，則有： 1.26IT(AV ) =1.57100A ,IT(A V)=124.6A(d)圖波形系數(shù)為1.78，則有： 1.78I T(AV ) =1.57100A ,I T(A V)=88.2A(e

7、)圖波形系數(shù)為2.83，則有： 2.83IT(AV ) =1.57100A,I T(AV) =55.5A(f) 圖波形系數(shù)為2，則有： 2I T ( AV ) =1.57 100A ,IT(AV) =78.5A31.11 某晶閘管型號規(guī)格為KP200-8D ，試問型號規(guī)格代表什么意義 ?解： KP 代表普通型晶閘管， 200 代表其晶閘管的額定電流為200A ， 8 代表晶閘管的正反向峰值電壓為 800V ，D 代表通態(tài)平均壓降為 0.6V U T0.7V 。1.12 如圖題 1.12 所示，試畫出負載 Rd 上的電壓波形(不考慮管子的導通壓降 )。圖題 1.12解：其波形如下圖所示：1.13

8、 在圖題 1.13 中，若要使用單次脈沖觸發(fā)晶閘管T 導通，門極觸發(fā)信號（觸發(fā)電壓為脈沖）的寬度最小應為多少微秒（設晶閘管的擎住電流I L =15mA ）？圖題 1.13解：由題意可得晶閘管導通時的回路方程：L di ARi A EdtE (1 etLi A)可解得R，= R=14要維維持持晶閘管導通，i A (t) 必須在擎住電流IL 以上，即50(1 e t ) 15 10 30.56t 150 10150 s ， 所以脈沖寬度必須大于 150s。1.14 單相正弦交流電源，晶閘管和負載電阻串聯(lián)如圖題1.14 所示，交流電源電壓有效值為 220V 。(1) 考慮安全余量，應如何選取晶閘管的

9、額定電壓？(2) 若當電流的波形系數(shù)為K f=2.22 時，通過晶閘管的有效電流為100A ，考慮晶閘管的安全余量，應如何選擇晶閘管的額定電流？解：（ 1）考慮安全余量, 取實際工作電壓的2 倍T22622V,取 600VU =220（ 2）因為 K f=2.22,取兩倍的裕量，則：2IT(AV)2.22100 A得：I T(AV) =111(A)取 100A 。圖題 1.141.15 什么叫 GTR 的一次擊穿 ?什么叫 GTR 的二次擊穿 ?答：處于工作狀態(tài)的GTR ，當其集電極反偏電壓UCE 漸增大電壓定額BU CEO 時，集電極電流 IC 急劇增大（雪崩擊穿） ，但此時集電極的電壓基本

10、保持不變，這叫一次擊穿。發(fā)生一次擊穿時，如果繼續(xù)增大UCE ，又不限制 I C，I C 上升到臨界值時，U CE 突然下降，而 IC 繼續(xù)增大（負載效應） ，這個現(xiàn)象稱為二次擊穿。1.16 怎樣確定GTR 的安全工作區(qū)SOA?答：安全工作區(qū)是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運行的電流、電壓的極限范圍。按基極偏量分類可分為：正偏安全工作區(qū)FBSOA和反偏安全工作區(qū)RBSOA。正偏工作區(qū)又叫開通工作區(qū)，它是基極正向偏量條件下由GTR的最大允許集電極功耗PCM以及二次擊穿功率PSB，I CM，BUCEO四條限制線所圍成的區(qū)域。反偏安全工作區(qū)又稱為GTR的關斷安全工作區(qū)，它表示在反向偏置狀態(tài)下GTR

11、關斷過程中電壓UCE，電流 I C限制界線所圍成的區(qū)域。1.17 GTR 對基極驅動電路的要求是什么？答：要求如下：5（ 1）提供合適的正反向基流以保證GTR 可靠導通與關斷，（ 2）實現(xiàn)主電路與控制電路隔離，（ 3）自動保護功能，以便在故障發(fā)生時快速自動切除驅動信號避免損壞GTR。（ 4）電路盡可能簡單，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強。1.18 在大功率GTR 組成的開關電路中為什么要加緩沖電路?答：緩沖電路可以使GTR在開通中的集電極電流緩升，關斷中的集電極電壓緩升，避免du了 GTR同時承受高電壓、 大電流。另一方面，緩沖電路也可以使GTR的集電極電壓變化率dtdi和集電極電流變化率dt 得

12、到有效值抑制，減小開關損耗和防止高壓擊穿和硅片局部過熱熔通而損壞GTR。1.19 與 GTR 相比功率MOS 管有何優(yōu)缺點 ?答： GTR 是電流型器件，功率MOS 是電壓型器件，與GTR 相比，功率MOS 管的工作速度快，開關頻率高，驅動功率小且驅動電路簡單，無二次擊穿問題，安全工作區(qū)寬，并且輸入阻抗可達幾十兆歐。但功率 MOS的缺點有：電流容量低，承受反向電壓小。1.20 從結構上講，功率MOS 管與 VDMOS 管有何區(qū)別 ?答：功率MOS采用水平結構，器件的源極S，柵極 G和漏極 D 均被置于硅片的一側，通態(tài)電阻大，性能差，硅片利用率低。VDMOS采用二次擴散形式的P 形區(qū)的 N+型區(qū)

13、在硅片表面的結深之差來形成極短的、可精確控制的溝道長度（13m）、制成垂直導電結構可以直接裝漏極、電流容量大、集成度高。1.21 試說明 VDMOS的安全工作區(qū)。答： VDMOS的安全工作區(qū)分為： （ 1）正向偏置安全工作區(qū)，由漏電源通態(tài)電阻限制線，最大漏極電流限制線，最大功耗限制線，最大漏源電壓限制線構成。（2）開關安全工作區(qū)：由最大峰值漏極電流I CM，最大漏源擊穿電壓BUDS最高結溫I JM 所決定。（ 3）換向安全工作區(qū)：di換向速度 dt 一定時，由漏極正向電壓UDS和二極管的正向電流的安全運行極限值I FM決定。1.22 試簡述功率場效應管在應用中的注意事項。答：（ 1）過電流保護

14、， （ 2）過電壓保護， （ 3）過熱保護，（ 4）防靜電。1.23 與 GTR 、 VDMOS 相比， IGBT 管有何特點 ?答： IGBT 的開關速度快，其開關時間是同容量GTR的 1/10 ，IGBT 電流容量大，是同容量 MOS的 10 倍；與 VDMOS、 GTR相比， IGBT 的耐壓可以做得很高，最大允許電壓UCEM可達4500V， IGBT 的最高允許結溫TJM為 150，而且IGBT 的通態(tài)壓降在室溫和最高結溫之間變化很小，具有良好的溫度特性；通態(tài)壓降是同一耐壓規(guī)格VDMOS的 1/10 ，輸入阻抗與MOS6同。1.24 下表給出了1200V 和不同等級電流容量IGBT管的

15、柵極電阻推薦值。試說明為什么隨著電流容量的增大，柵極電阻值相應減??？電流容量 A255075100150200300柵極電阻502515128.253.3答：對一定值的集電極電流，柵極電阻增大柵極電路的時間常數(shù)相應增大，關斷時柵壓下降到關斷門限電壓的時間變長，于是 IGBT 的關斷損耗增大。 因此，隨著電流容量的增大，為了減小關斷損耗，柵極電阻值相應減小。應當注意的是， 太小的柵極電阻會使關斷過程電壓變化加劇，在損耗允許的情況下，柵極電阻不使用宜太小。1.25 在 SCR、 GTR 、IGBT 、 GTO 、 MOSFET 、 IGCT 及 MCT器件中，哪些器件可以承受反向電壓？哪些可以用作

16、靜態(tài)交流開關？答： SCR、 GTR、 IGBT 、GTO 、MCT 都可承受反向電壓。SCR 可以用作靜態(tài)開關。1.26 試說明有關功率MOSFET驅動電路的特點。答：功率MOSFET 驅動電路的特點是：輸入阻抗高，所需驅動功率小，驅動電路簡單，工作頻率高。1.27 試述靜電感應晶體管SIT 的結構特點。答： SIT 采用垂直導電結構，溝道短而寬，適合于高電壓，大電流的場合，其漏極電流具有負溫度系數(shù)，可避免因溫度升高而引起的惡性循環(huán)漏極電流通路上不存在PN結，一般不會發(fā)生熱不穩(wěn)定性和二次擊穿現(xiàn)象，其安全工作區(qū)范圍較寬, 關斷它需加10V 的負柵極偏壓 UGS , 使其導通，可以加56V 的正柵偏壓 +UGS，以降低器件的通態(tài)壓降。1.28 試述靜電感應晶閘管SITH 的結構特點。答：其結構在SIT 的結構上再增加一個P+層形成了無胞結構。SITH 的電導調制作用使它比 SIT 的通態(tài)電阻小，通態(tài)壓降低， 通態(tài)電流大， 但因器件內有大量的存儲電荷， 其關斷時間比 SIT 要慢，工作頻率低。1.29 試述 MOS 控制晶閘管MCT的特點和使用范圍。答： MCT具有高電壓，大電流，高載流密度，低通態(tài)壓的特點，其通態(tài)壓降只有的左右， 硅片的單位面積連續(xù)電流密度在各種器件中是最高的， 另外， 可承受極