(完整word版)電力電子技術.課后習題答案.南航.丁道宏

《電力電子技術》丁道宏課后習題答案南航第一章第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，IA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IH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)Ig=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。1.6試說明晶閘管有哪些派生器件？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IH=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)圖題1.8答：（a）因為，所以不合理。(b)因為,KP100的電流額定值為100Ａ，裕量達５倍，太大了。（c）因為，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Im，試計算各圖的電流平均值．電流有效值和波形系數(shù)。解：圖(a)：IT(AV)==IT==Kf==1.57圖題1．9圖(b)：IT(AV)==ImIT==Kf==1.11圖(c)：IT(AV)==ImIT==ImKf==1.26圖(d)：IT(AV)==ImIT==ImKf==1.78圖(e)：IT(AV)==IT==Kf==2.83圖(f)：IT(AV)==IT==Kf==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：1.57=1.57100A,IT(AV)=100A(b)圖波形系數(shù)為1.11，則有：1.11=1.57100A,IT(AV)=141.4A(c)圖波形系數(shù)為1.26，則有：1.26=1.57100A,IT(AV)=124.6A(d)圖波形系數(shù)為1.78，則有：1.78=1.57100A,IT(AV)=88.2A(e)圖波形系數(shù)為2.83，則有：2.83=1.57100A,IT(AV)=55.5A(f)圖波形系數(shù)為2，則有：2=1.57100A,IT(AV)=78.5A1.11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。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IL=15mA）？圖題1.13解：由題意可得晶閘管導通時的回路方程：可解得，==1要維維持持晶閘管導通，必須在擎住電流IL以上，即，所以脈沖寬度必須大于150μs。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額定電壓？(2)若當電流的波形系數(shù)為Kf=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UT=2202622V,取600V（2）因為Kf=2.22,取兩倍的裕量，則：2IT(AV)得：IT(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BUCEO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IC，IC上升到臨界值時，UCE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，ICM，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關斷過程中電壓UCE，電流IC限制界線所圍成的區(qū)域。1.17GTR對基極驅動電路的要求是什么？答：要求如下：（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和集電極電流變化率得到有效值抑制，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)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（1~3）、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ICM，最大漏源擊穿電壓BUDS最高結溫IJM所決定。（3）換向安全工作區(qū)：換向速度一定時，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IFM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，（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MOS同。1.24下表給出了1200V和不同等級電流容量IGBT管的柵極電阻推薦值。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／Ω502515128.253.3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5~6V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ＧＴＲ的１／３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，ＭＣＴ可承受極高的di/dt和du/dt。使得其保護電路簡化，ＭＣＴ的開關速度超過ＧＴＲ，且開關損耗也小。1.30緩沖電路的作用是什么？關斷緩沖與開通緩沖在電路形式上有何區(qū)別，各自的功能是什么？答：緩沖電路的作用是抑制電力電子器件的內因過電壓du/dt或者過電流di/dt,減少器件的開關損耗。緩沖電路分為關斷緩沖電路和開通緩沖電路。關斷緩沖電路是對du/dt抑制的電路，用于抑制器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗。開通緩沖電路是對di/dt抑制的電路，用于抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。

第二章2-1題圖2-1為帶有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路，大電感負載保證電流連續(xù)。試證明輸出整流電壓平均值,并畫出控制角為α時的輸出整流電壓ud、晶閘管承受電壓uT的波形。 T L u1 u2 D R解：u2 αu2 α π 2π ωtuT α π 2π ωtud α π 2π ωt當U2＞0，當Ug＝0時，T不導通。UT＝U2，Ud＝0當有Ug，T被導通時，續(xù)流二極管承受正向壓降導通Ud＝U2，UT=0由波形知，輸出整流電壓平均值為2-2上題中，U2=220V，R=10Ω，要求輸出整流電壓平均值0~30V連續(xù)可調。試求控制角α，導通角θ的變化范圍，選擇晶閘管定額并計算變壓器次級容量。解： 選擇晶閘管時留出裕量 2-3具有變壓器中心抽頭的單相雙半流可控整流電路如圖所示說明該變壓器是否存在直流磁化問題？試繪出α=45°時電阻性負載及大電感負載下，輸出整流電壓Ud、晶閘管承受的電壓UT的波形。解：變壓器次級在電源電壓的分析：T1T2共陰，U2正半周期α=45°，T1導通，電流經(jīng)①、T1R回到②，T2不導通，Ud=U2，U2過零，T1關斷，Ud=0，U2負半周期，T2承受正向電壓。過零時T1關斷，T2尚未開，則UT1承受U2電壓，T2開后，UT2承受2U2，又過零T2關，T1尚未觸發(fā)，承受U2。 電阻負載 在電感負載2-6題圖2-6單相橋式全控整流電路大電感負載，已知U2=100V，R=10Ω，α=45°。（1）負載端不接續(xù)流二極管D，計算輸出整流電壓、電流平均值及晶閘管電流有效值。（2）負載端接續(xù)流二極管D，計算輸出整流電壓、電流平均值及晶閘管、續(xù)流二級管電流有效值。畫出ud、id、iT、iD及變壓器次級電流i2的波形。 T1 T T1 T2 L idu1 u2 ud D R T3 T4解：（1）負載端不接續(xù)流二極管 （2）負載端接續(xù)流二極管 2-8單相橋式半控整流電路，由220V經(jīng)變壓器供電，負載為大電感性并接有續(xù)流二極管。要求輸出整流電壓20~80V連續(xù)可調，最大負載電流為20A，最小控制角αmin=30°。試計算晶閘管、整流管、續(xù)流二極管的電流有效值以及變壓器容量。解：單相橋式半控整流電路 2-9在三相半波可控整流電路中如果觸發(fā)脈沖出現(xiàn)在自然換相點之前，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？電路能否正常換相？試畫出電阻性負載和電感性負載時Ud的波形。2-10具有續(xù)流二極管的三相半波可控整流電路，大電感負載R=10Ω，U2=220V，當α=60°時，（1）作出Ud晶閘管電流iT，續(xù)流二極管電流iD的波形（2）計算輸出電壓，電流平均值Ud，Id以及晶閘管和續(xù)流二極管電流有效值IT，ID。2-17題圖2-17為三相橋式半控整流電流電路（1）當負載分別為電感性和電阻性時，電路輸出整流電壓波形是否相同，試分別畫出α=60°、α=90°時Ud的波形（2）試證明整流電壓平均值解：（1）三相橋式半控整流電路當負載為電感性和電阻性時，電路輸出整流電壓波形相同。α=60°臨界連續(xù)，輸出為α=90°，（2）當α>60°時，電流斷續(xù)€ 當0<α<60°時， 2-182-19．三相全橋全控整流電路對反電勢、大電感性負載供電，U2＝220V，E＝200V，R=1Ω，α＝60o，

（1）不計漏感時求輸出整流電壓和電流Ud，Id值；（2）當Lb=1mH情況下。計算Ud，Id,γ值，并分別求出ud,iT的波形解：（1）（2） Lb=1mH 所以：將Id值代入求得輸出電壓：將Id值代入求重疊角：

第八章補充題：SOA的構成？答：功率晶體管的SOA由四部分組成。集電極最大允許電流IeM基極開路，集電極—發(fā)射極之間的最高允許電壓U(BR)ceo晶體管集電極最大允許功率損耗PCM二次擊穿電流水平IS/B功率場效應管的SOA由三部分組成漏—源擊穿電壓U(BR)DS等功耗線PDM最大允許漏極電流IDM8-5圖8-5中晶體管的β可在8~40間選擇。RC=11Ω，電源電壓EC=200V，基極輸入電壓UB=10V。如果UCES=1.0V和UBES=1.5V。求：（a）過驅動系數(shù)ODF=5時RB的值；（b）強制β值；（c）晶體管功率損耗PC。解： 8-9電路總電流為20A，用兩個MOSFET管并聯(lián)分擔，一個管子的UDS1=2.5V，另一個是UDS2=3V。如用串聯(lián)源極電阻（a）RS1=0.3Ω，RS2=0.2Ω及（b）RS1=RS2=0.5Ω來均流，求每個晶體管電流和兩管漏極電流之差。解： （1） ，（2） ，補充題：①IGBT的SOA構成？答：IGBT的正偏安全工作區(qū)與場效應晶體管相似，由ICM、U(BR)ceo和等功耗線決定的。由于IGBT含有GTR的特性，在某些情況下也會出現(xiàn)二次擊穿的問題。②何為掣住效應，有何措施避免？答：當集電極電流在到一定程度，Rb上的壓降使NPN晶體管導通，從而進入正反饋狀態(tài)而失去控制作用，成為晶閘管狀態(tài)，這就是所謂掣住效應或栓鎖效應。針對掣住效應的原因，有兩種措施：①在關斷時，IGBT由導通轉為截止，受到重加集電極電壓上升率的限制。過大的電壓上升率會引起掣住效應。措施：仔細設計緩沖電路，降低集電極電壓上升率。②在導通期間，負載發(fā)生短路，IGBT的集電極電流急劇增大，如不加限制，就可能進入掣住狀態(tài)。措施：設計保護檢測電路，檢測集電極電壓，若其升高，則減小UGE，抬高UCE，從而降低IC。③拖尾現(xiàn)象如何產(chǎn)生？答：IGBT有兩種載流子參與導電，少數(shù)載流子需要復合時間IGBT的開關速度就變慢了。同時，在關斷時不能用加反向電壓強迫少數(shù)載流子加快復合來縮短開關時間，少數(shù)載流子消失由少子壽命決定，這就出現(xiàn)IGBT特有的關斷時電流拖尾現(xiàn)象。

第九章9-1降壓式變換器電路如圖，輸入電壓為27V±10%，輸出電壓為15V，最大輸出功率為120W，最小輸出功率為10W。若工作頻率為30kHz，求（1）占空度變化范圍；（2）保證整個工作范圍電感電流連續(xù)時電感值；（3）當輸出紋波電壓ΔU0=100mV時濾波電容值；（4）電感臨界連續(xù)電流為4A時電感量，及最小輸出時的占空度；（5）如線圈電阻為0.2Ω，在最低輸入電壓，最大功率輸出時最大占空度和效率。解：（1） （2）， （3） ， （4） ， ， （5），，， 9-2升壓式變換器另外兩種接法如圖9-2(a)，晶體管工作在工關狀態(tài)，電感電流連續(xù)，占空度為D，求。解：Q導通時， Q關斷時， i1max×N1=i2max×(N1+N2)I1min×N1=i2×(N1+N2) 又 可得： 解法2：（磁通平衡，伏秒面積相等）Qon時，Qoff時，升壓式變換器另外兩種接法如圖9-2(b)，晶體管工作在工關狀態(tài)，電感電流連續(xù)，占空度為D，求。解：Q導通時， Q關斷時， i1max×(N1+N2)=i2max×N1i