王兆安《電力電子技術(shù)》（第4版）課后習(xí)題解第1章 電力電子器件1.1 使晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？答：使晶閘管導(dǎo)通的條件是：晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓，并在門極注入正向觸發(fā)電流1.2 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)通的條件是使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流（即維持電流），即要使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，可通過(guò)外加反向陽(yáng)極電壓或減小負(fù)載電流的辦法，使流過(guò)晶閘管的電流降到維持電流值以下，即1.3 圖1-43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 試計(jì)算各波形的電流平均值，，與電流有效值，，圖1-43 晶閘管導(dǎo)電波形解：a） b） c） 1.4 上題中如果不考慮安全裕量，問(wèn)100A的晶闡管能送出的平均電流、、各為多少？這時(shí)，相應(yīng)的電流最大值、、各為多少？解：額定電流的晶閘管，允許的電流有效值，由上題計(jì)算結(jié)果知：a） b） c） 1.5 GTO和普通晶閘管同為PNPN結(jié)構(gòu)，為什么GTO能夠自關(guān)斷，而普通晶閘管不能？答：GTO和普通晶闡管同為PNPN結(jié)構(gòu)，由和構(gòu)成兩個(gè)晶體管、，分別具有共基極電流增益和，由普通晶闡管的分析可得，是器件臨界導(dǎo)通的條件。

兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而導(dǎo)通；不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷 GTO之所以能夠自行關(guān)斷，而普通晶閘管不能，是因?yàn)镚TO與普通晶閘管在設(shè)計(jì)和工藝方面有以下幾點(diǎn)不同：1）多元并聯(lián)集成結(jié)構(gòu)使每個(gè)GTO元陰極面積很小，門極和陰極間的距離大為縮短，區(qū)的橫向電阻很小，顯著減小了橫向壓降效應(yīng)，從而使從門極抽出較大的電流成為可能； 2） GTO導(dǎo)通時(shí)的更接近于1，普通晶閘管，而GTO則為，GTO的飽和程度不深，接近于臨界飽和，這樣為門極控制關(guān)斷提供了有利條件；而且GTO在設(shè)計(jì)時(shí)較大，這樣晶體管控制靈敏，易于GTO關(guān)斷； 3） GTO的結(jié)的反向擊穿設(shè)計(jì)得較高，使得允許在門極和陰極間施加較高的反向驅(qū)動(dòng)電壓，不僅可以進(jìn)一步削弱橫向壓降效應(yīng)，而且可以加速GTO體內(nèi)非平衡載流子經(jīng)門極回路泄放的過(guò)程1.6 如何防止電力MOSFET因靜電感應(yīng)引起的損壞？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(dāng)柵極開路時(shí)極易受靜電干擾而充上超過(guò)±20V的擊穿電壓，所以為防止MOSFET因靜電感應(yīng)而引起的損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： ① 一般在不用時(shí)將其三個(gè)電極短接；② 裝配時(shí)人體、工作臺(tái)、電烙鐵必須接地，測(cè)試時(shí)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(guò)高；④ 漏、源極間也要采取緩沖電路等措施吸收過(guò)電壓。

1.7 IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路各有什么特點(diǎn)？答：IGBT驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻，IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器 GTR驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是：驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)電流有足夠陡的前沿，并有一定的過(guò)沖，這樣可加速開通過(guò)程，減小開通損耗，關(guān)斷時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路能提供幅值足夠大的反向基極驅(qū)動(dòng)電流，并加反偏截止電壓，以加速關(guān)斷速度 GTO驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是：GTO要求其驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)電流的前沿應(yīng)有足夠的幅值和陡度，且一般需要在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流，關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，幅值和陡度要求更高，其驅(qū)動(dòng)電路通常包括開通驅(qū)動(dòng)電路，關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門極反偏電路三部分 電力MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)：要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸入電阻，驅(qū)動(dòng)功率小且電路簡(jiǎn)單1.8 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(guò)電壓，或過(guò)電流和，減小器件的開關(guān)損耗RCD緩沖電路中，各元件的作用是： 開通時(shí)，經(jīng)放電，起到限制放電電流的作用；關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)從分流，使減小，抑制過(guò)電壓。

1.9 試說(shuō)明IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET各自的優(yōu)缺點(diǎn)解：對(duì)IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的比較如下表：器 件優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)IGBT開關(guān)速度快，開關(guān)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(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小開關(guān)速度低于電力MOSFET，電壓、電流容量不及GTO ；存在擎住效應(yīng)問(wèn)題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，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜；存在二次擊穿問(wèn)題GTO電壓、電流容量大，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)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低電力MOSFET開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問(wèn)題通態(tài)電阻大，通態(tài)損耗大，電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置1.10 什么是晶閘管的額定電流？答：晶閘管的額定電流就是它的通態(tài)平均電流，國(guó)標(biāo)規(guī)定：晶閘管在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫所允許的最大工頻正弦半波電流的平均值。

1.11 為什么要限制晶閘管斷電電壓上升律？答：晶閘管在承受正向陽(yáng)極電壓阻斷狀態(tài)下，結(jié)反偏，其結(jié)電容在晶閘管端電壓上升率過(guò)大時(shí)，就會(huì)流過(guò)較大的充電電流（稱位移電流），此位移電流流過(guò)，起到相當(dāng)于觸發(fā)電流的作用，易使晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)通，所以要限制1.12 為什么要限制晶閘管通態(tài)電流上升率？答：在晶閘管開始導(dǎo)通時(shí)刻，若電流上升速度過(guò)快，會(huì)有較大的電流集中在門極附近的陰極小區(qū)域內(nèi)，雖然平均電流沒(méi)有超過(guò)額定值，但在小的區(qū)域內(nèi)局部過(guò)熱而損壞晶閘管，所以要限制通態(tài)1.13 電力電子器件工作時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓的原因及防止措施有哪些？答：產(chǎn)生原因：分閘、合閘時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓；雷擊引起的雷擊過(guò)電壓；晶閘管換相過(guò)程中產(chǎn)生的換相過(guò)電壓防止措施：壓敏電阻；交流側(cè)RC過(guò)電壓抑制電路；直流側(cè)RC過(guò)電壓控制電路；變壓器加屏蔽層；避雷器；器件關(guān)斷緩沖電路等第2章 整流電路 2..1 單相半波可控整流電路對(duì)電感負(fù)載供電，，，求當(dāng)時(shí)和時(shí)的負(fù)載電流，并畫出與波形解： 時(shí)，在電源電壓的正半周期晶閘管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電感儲(chǔ)能，在晶閘管開始導(dǎo)通時(shí)刻，負(fù)載電流為零在電源電壓的負(fù)半周期，負(fù)載電感釋放能量，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。

因此，在電源電壓的一個(gè)周期里，以下方程均成立：考慮到初始條件：當(dāng)時(shí)可解方程得：與的波形如下圖： 當(dāng)時(shí)，在的正半周期～期間，晶閘管導(dǎo)通使電惑儲(chǔ)能，電感儲(chǔ)藏的能量在負(fù)半周期～期間釋放，因此在的一個(gè)周期中～期間，以下微分方程成立：考慮到初始條件：當(dāng)時(shí)可解方程得：其平均值為此時(shí)與的波形如下圖：2. 2 圖2-9為具有變壓器中心抽頭的單相全波可控整流電路，問(wèn)該變壓器還有直流磁化問(wèn)題嗎？試說(shuō)明：① 晶閘管承受的最大反向電壓為；② 當(dāng)負(fù)載是電阻或電感時(shí)，其輸出電壓和電流的波形與單相全控橋時(shí)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(méi)有直流磁化的問(wèn)題 因?yàn)閱蜗嗳煽卣麟娐纷儔浩鞫蝹?cè)繞組中，正負(fù)半周內(nèi)上下繞組內(nèi)電流的方向相反，波形對(duì)稱，其一個(gè)周期內(nèi)的平均電流為零，故不會(huì)有直流磁化的問(wèn)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 以晶閘管為例當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，晶閘管通過(guò)與2個(gè)變壓器二次繞組并聯(lián)，所以承受的最大電壓為② 當(dāng)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(shí)，對(duì)于電阻負(fù)載；期間無(wú)晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為0；期間，單相全波電路中導(dǎo)通，單相全控橋電路中、導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓相等；期間均無(wú)晶閘管導(dǎo)通，輸出電壓為0；期間，單相全波電路中導(dǎo)通，單相全控橋電路中、導(dǎo)通，輸出電壓等于。

對(duì)于電感負(fù)載；期問(wèn)，單相全波電路中導(dǎo)逼，單相全控橋電路中、導(dǎo)通，輸出電壓均與電源電壓相等；期間，單相全波電路中導(dǎo)通，單相全控橋電路中、導(dǎo)通，輸出波形等于可見(jiàn)，兩者的輸出電壓相同，加到同樣的負(fù)載上時(shí)，則輸出電流也相同2.3 單相橋式全控整流電路，，負(fù)載中，值極大，當(dāng)時(shí)， 要求：① 作出、和的波形； ② 求整流輸出平均電壓、電流，變壓器二次電流有效值； ③ 考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流解：① 、和的波形如下圖：② 輸出平均電壓、電流，變壓器二次電流有效值分別為 ③ 晶閘管承受的最大反向電壓為： 考慮安全裕量，晶閘管的額定電壓為： 具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取 流過(guò)晶閘管的電流有效值為： 晶閘管的額定電流為： 具體數(shù)值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取2.4 單相橋式半控整流電路，電阻性負(fù)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(diǎn)：承受電壓為正即導(dǎo)通因此，二極管承受的電壓不會(huì)出現(xiàn)正的部分在電路中器件均不導(dǎo)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：2.5 單相橋式全控整流電路，，負(fù)載，值極大，反電勢(shì)，當(dāng)時(shí)，要求： ① 作出、和的波形； ② 求整流輸出平均電壓、電流，變壓器二次電流有效值； ③ 考慮安全裕量，確定晶閘管的額定電壓和額定電流解：① 、和的波形如下圖：②整流輸出平均電壓、電流，變壓器二次測(cè)電流有效值分別為： ③晶閘管承受的最大反向電壓為： 流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流的有效值為： 故晶閘管的額定電壓為： 晶閘管的額定電流為： 晶閘管額定電壓和電流的具體敢值可按晶閘管產(chǎn)品系列參數(shù)選取2.6 晶閘管串聯(lián)的單相半控橋（橋中、為晶閘管），電路如圖2-11所示，，電阻電感負(fù)載，，值極大，當(dāng)時(shí)求流過(guò)器件電流的有效值，并作出、、、的波形解： 、、、的波形如下圖：負(fù)載電壓的平均值為： 負(fù)載電流的平均值為： 流過(guò)晶閘管、的電流有效值為： 流過(guò)二極管、的電流有效值為： 2.7 在三相半波整流電路中，如果a相的觸發(fā)脈沖消失，試?yán)L出在電阻性負(fù)載和電感性負(fù)載下整流電壓的波形。

解：假設(shè)，當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，的波形如下：當(dāng)負(fù)載為電感時(shí)，的波形如下：2.8 三相半波整流電路，可以將整流變壓器的二次繞組分為兩段成為曲折接法，每段 的電動(dòng)勢(shì)相同，其分段布置及其矢量如圖2-60所示，此時(shí)線圈的繞組增加了一。