电力电子技术第二版课后习题及解答.docx
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电力电子技术第二版课后习题及解答
《电力电子技术》习题及解答
第1章思考题与习题
1.1晶闸管的导通条件是什么?
导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定?
答：
晶闸管的导通条件是：
晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。
导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压UA决定。
1.2晶闸管的关断条件是什么?
如何实现?
晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?
答：
晶闸管的关断条件是：
要使晶闸管由正向导通状态转变为
阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流Ia减小，1a下降到维持电流Ih以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。
进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压*决定。
1.3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电
流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？
答：
温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流Ih会减小，正向转折电压和
反向击穿电压随温度升高而减小
1.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？
答：
非正常导通方式有：
（1）Ig=0,阳极电压升高至相当高的数值；⑴阳极电压上升率du/dt过高；（3）结温过高。
1.5请简述晶闸管的关断时间定义。
答：
晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所
需的这段时间称为关断时间。
即tq二trrtgr。
1.6试说明晶闸管有哪些派生器件？
答：
快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。
1.7请简述光控晶闸管的有关特征。
答：
光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管幵通。
主要用于高压大功率场合。
1.8型号为KP100-3，维持电流W=4mA的晶闸管，使用在图题1.8所示电路中是否合理，为什么？
（暂不考虑电压电流裕量）
图题1.8
答：
（a）因为=2m^：
：
Ih，所以不合理。
5OK0H
（b）因为|A二200/=20A,KP100的电流额定值为100
100
A，裕量达5倍，太大了
（c）因为IA=150V=150A，大于额定值，所以不合理。
1Q
1.9图题1.9中实线部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大
值均为Im,试计算各图的电流平均值.电流有效值和波形系数。
解:
图⑻：
、1兀Im
t（av）=——Imsincotd（cot）=
2兀
2I
（Imsin，t）d（，t）二』
2
IT=
Kf=匚=1.57
IT（AV）
图题1.9
图（b）:
t（av）=丄Imsin，td（，t）=—I
m
JI
IT=
石［（ImSin⑷tfd伸t）二朋
图（c）:
T（AV）=丄
Tt
Kf=J=1.11
IT（AV）
IT=
二（Imsint）*2d（t）
3
Im380-63Im
Kf=
It
IT（AV）
=1.26
图（d）
T（AV）=
-1msin，td（，t）=
兀2
「（—sint）dft）
3
:
0.52Im
Kf=」J=1.78
1T（AV）
图⑹
1匸
町门.04Imd（7=
It=袪杠m2d®t）=
Im
2.2
&=丄「=2.83
IT（AV）
图（f）
1
T（Av）=2Imd（t）=
71
IT=
21蔦航（t）=
Kf=-^=2
IT（AV）
1.10上题中，如不考虑安全裕量，问额定电流100A的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少？
解：
（a）图波形系数为1.57，则有:
1.57It（av）=1.57100A,
IT（AV）=100A
（b）图波形系数为1.11,则有：
1.11It（av）=1.57100A,
IT（AV）=141.4A
（c）图波形系数为1.26，则有：
1.26It（av）=1.57100A,
IT（AV）=124.6A
（d）图波形系数为1.78，则有：
1.78It（av）=1.57100A,
It（av）=88.2A
（e）图波形系数为2.83，则有：
2.831丁他）=1.57100A,
IT（AV）=55.5A
（f）图波形系数为2，则有：
2It（av）=1.57100A,
It（av）=78.5A
1.11某晶闸管型号规格为KP200-8D，试问型号规格代表什么
意义？
解：
KP代表普通型晶闸管，200代表其晶闸管的额定电流为200A，8代表晶闸管的正反向峰值电压为800V,D代表通态平均压
降为0.6V:
UT:
：
:
0.7V。
1.12如图题1.12所示，试画出负载Rd上的电压波形（不考虑管子的导通压降）
图题1.12
解：
其波形如下图所示：
1.13在图题1.13中，若要使用单次脉冲触发晶闸管T导通，门
极触发信号（触发电压为脉冲）的宽度最小应为多少微秒（设晶闸管的擎住电流h=15mA）？
图题1.13
解：
由题意可得晶闸管导通时的回路方程：
L%Ri^E
dt
E丄l
可解得iA=—（1—e£），弋=—=1
RR
要维维持持晶闸管导通，iA（t）必须在擎住电流Il以上，即
t-15010'=150七，所以脉冲宽度必须大于150
USO
1.14单相正弦交流电源，晶闸管和负载电阻串联如图题1.14
所示，交流电源电压有效值为220V。
（1）考虑安全余量，应如何选取晶闸管的额定电压？
⑵若当电流的波形系数为Kf=2.22时，通过晶闸管的有效电流为100A，考虑晶闸管的安全余量，应如何选择晶闸管的额定电流？
解：
（1）考虑安全余量，取实际工作电压的2倍
UT=2202,2:
622V,取600V
（2）因为Kf=2.22,取两倍的裕量，贝心
21T（AV）2.22100A
得：
It（av）=111（A）取100A。
图题1.14
1.15什么叫GTR的一次击穿？
什么叫GTR的二次击穿？
答：
处于工作状态的GTR当其集电极反偏电压UCe渐增大电压定额BUCe。
时，集电极电流Ic急剧增大（雪崩击穿），但此时集电极的电压基本保持不变，这叫一次击穿。
发生一次击穿时，如果继续增大UCe，又不限制Ic，Ic上升到临界值时，UCe突然下降，而Ic继续增大（负载效应），这个现象称为二次击穿。
1.16怎样确定GTR的安全工作区SOA?
答：
安全工作区是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的
电流、电压的极限范围。
按基极偏量分类可分为：
正偏安全工作区
FBSOA和反偏安全工作区RBSOA正偏工作区又叫幵通工作区，它
是基极正向偏量条件下由GTR的最大允许集电极功耗Pcm以及二次击穿功率Psb,Icm,BUCeo四条限制线所围成的区域。
反偏安全工作区又称为GTR的关断安全工作区，它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCe,电流lc限制界线所围成的区域。
1.17GTR对基极驱动电路的要求是什么？
答：
要求如下：
（1）提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断，
（2）实现主电路与控制电路隔离，
（3）自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号
避免损坏GTR
（4）电路尽可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。
1.18在大功率GTR组成的幵关电路中为什么要加缓冲电路？
答：
缓冲电路可以使GTR在幵通中的集电极电流缓升，关断中的集电极电压缓升，避免了GTR同时承受高电压、大电流。
另一方面，缓冲电路也可以使GTR的集电极电压变化率du和集电极电流
dt
变化率di得到有效值抑制，减小幵关损耗和防止高压击穿和硅片局
dt
部过热熔通而损坏GTR
1.19与GTR相比功率MOS管有何优缺点？
答：
GTF是电流型器件，功率MOS是电压型器件，与GTF相比，功率MOS管的工作速度快，幵关频率高，驱动功率小且驱动电路简单，无二次击穿问题，安全工作区宽，并且输入阻抗可达几十兆欧。
但功率MOS勺缺点有：
电流容量低，承受反向电压小。
1.20从结构上讲，功率MOS管与VDMOS管有何区别？
答：
功率MOS采用水平结构，器件的源极S,栅极G和漏极D均被置于硅片的一侧，通态电阻大，性能差，硅片利用率低。
VDMOS采用二次扩散形式的P形区的N+型区在硅片表面的结深之差来形成极短的、可精确控制的沟道长度（1〜3Am）、制成垂直导电结构可以直接装漏极、电流容量大、集成度高。
1.21试说明VDMOS的安全工作区。
答：
VDMOS勺安全工作区分为：
（1）正向偏置安全工作区，由漏电源通态电阻限制线，最大漏极电流限制线，最大功耗限制线，最大漏源电压限制线构成。
（2）幵关安全工作区：
由最大峰值漏极电流Icm最大漏源击穿电压BUDs最高结温Ijm所决定。
（3）换向安全工作区：
换向速度①一定时，由漏极正向电压UDs和二极管的正
dt
向电流的安全运行极限值IFM决定。
1.22试简述功率场效应管在应用中的注意事项。
答：
（1）过电流保护，
（2）过电压保护，（3）过热保护，（4）
防静电。
1.23与GTR、VDMOS相比，IGBT管有何特点？
答：
IGBT的幵关速度快，其幵关时间是同容量GTR的1/10,IGBT
电流容量大，是同容量MOS的10倍；与VDMOSGTR相比，IGBT
的耐压可以做得很高，最大允许电压UCem可达4500V，IGBT的最高
允许结温Tjm为150C，而且IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性；通态压降是同一耐压规格VDMOS的1/10，输入阻抗与皿0阴。
1.24下表给出了1200V和不同等级电流容量IGBT管的栅极电
阻推荐值。
试说明为什么随着电流容量的增大，栅极电阻值相应减
小？
电流容量/A
25
50
75
100
150
200
300
栅极电阻/Q
50
25
15
12
8.2
5
3.3
答：
对一定值的集电极电流，栅极电阻增大栅极电路的时间常
数相应增大，关断时栅压下降到关断门限电压的时间变长，于是
IGBT的关断损耗增大。
因此，随着电流容量的增大，为了减小关断
损耗，栅极电阻值相应减小。
应当注意的是，太小的栅极电阻会使关断过程电压变化加剧，在损耗允许的情况下，栅极电阻不使用宜太小。
1.25在SCRGTRIGBT、GTOMOSFETIGCT及MCI器件中，哪些器件可以承受反向电压？
哪些可以用作静态交流开关？
答：
SCRGTRIGBT、GTOMCT都可承受反向电压。
SCR可以用作静态开关。
1.26试说明有关功率MOSFE驱动电路的特点。
答：
功率MOSFE驱动电路的特点是：
输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。
1.27试述静电感应晶体管SIT的结构特点。
答：
SIT采用垂直导电结构，沟道短而宽，适合于高电压，大电流的场合，其漏极电流具有负温度系数，可避免因温度升高而引起的恶性循环漏极电流通路上不存在PN结，一般不会发生热不稳
定性和二次击穿现象，其安全工作区范围较宽,关断它需加10V的负栅极偏压UGs,使其导通，可以加5~6V的正栅偏压+U3S，以降低器件的通态压降。
1.28试述静电感应晶闸管SITH的结构特点。
答：
其结构在SIT的结构上再增加一个P+层形成了无胞结构
SITH的电导调制作用使它比SIT的通态电阻小，通态压降低，通态
电流大，但因器件内有大量的存储电荷，其关断时间比SIT要慢，工作频率低。
1.29试述MOS控制晶闸管MCT的特点和使用范围。
答：
MCT具有高电压，大电流，高载流密度，低通态压的特点，其通态压降只有GTR的1/3左右，硅片的单位面积连续电流密
度在各种器件中是最高的，另外，MCT可承受极高的di/dt和du/dt。
使得其保护电路简化，MCT的幵关速度超过GTR，且开关损耗也小。
1.30缓冲电路的作用是什么？
关断缓冲与开通缓冲在电路形式上有何区别，各自的功能是什么？
答：
缓冲电路的作用是抑制电力电子器件的内因过电压du/dt或者过电流di/dt,减少器件的开关损耗。
缓冲电路分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。
关断缓冲电路是对du/dt抑制的电路，用于抑制器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。
开通缓冲电路是对di/dt抑制的电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。
第2章思考题与习题
2.1什么是整流？
它与逆变有何区别？
答：
整流就是把交流电能转换成直流电能，而将直流转换为交流电能称为逆变，它是对应于整流的逆向过程。
2.2单相半波可控整流电路中，如果：
（1）晶闸管门极不加触发脉冲；
（2）晶闸管内部短路；
（3）晶闸管内部断开；试分析上述三种情况负载两端电压ud和晶闸管两端电压uT的波
形。
答：
（1）负载两端电压为0，晶闸管上电压波形与U2相同；
（2）负载两端电压为U2，晶闸管上的电压为0;
（3）负载两端电压为0，晶闸管上的电压为U2。
2.3某单相全控桥式整流电路给电阻性负载和大电感负载供电，在流过负载电流平均值相同的情况下，哪一种负载的晶闸管额定电流应选择大一些?
答：
带大电感负载的晶闸管额定电流应选择小一些。
由于具有电感，当其电流增大时，在电感上会产生感应电动势，抑制电流增加。
电阻性负载时整流输出电流的峰值大些，在流过负载电流平均值相同的情况下，为防此时管子烧坏，应选择额定电流大一些的管子。
2.4某电阻性负载的单相半控桥式整流电路，若其中一只晶闸管的阳、阴极之间被烧断，试画出整流二极管、晶闸管两端和负载电阻两端的电压波形。
解：
设a=0，T2被烧坏，如下图：
2.5相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的Ud与Id的乘积是否等于负载有功功率，为什么？
带大电感负载时，负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积是否等于负载有功功率，为什么？
答：
相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的平均功率
Pd二Udld不等于负载有功功率P二UI。
因为负载上的电压、电流是非正弦波，除了直流Ud与Id外还有谐波分量Ui，U2,…和Il,l2/，负载上有功功率为P二.Pd2•P2•P22•…>Pd-Udld。
相控整流电路带大电感负载时，虽然Ud存在谐波，但电流是恒
定的直流，故负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积等于负载有功功率。
2.6某电阻性负载要求0~24V直流电压，最大负载电流ld=30A，如采用由220V交流直接供电和由变压器降压到60V供电的单相半
波相控整流电路，是否两种方案都能满足要求？
试比较两种供电方
案的晶闸管的导通角、额定电压、额定电流、电路的功率因数及对电源容量的要求。
解：
采用由220V交流直接供电当:
=0时：
Udo=0.45U2=0.45220=99V
由变压器降压到
60V供电当〉=0时:
U=0.45U2=0.45x60=27V
因此，只要调节
:
都可以满足输出0〜24V直流电压要求。
⑴采用由
220V交流直接供电时:
Ud二0.45U21COS-，
2
Ud==24V时：
：
121v-180-121=59
取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为622V和108A。
电源提供有功功率
p=l22R=8420.8=5644.8W
电源提供视在功率
S=u2l2=84220=18.58kVA
电源侧功率因数
（2）采用变压器降压到60V供电:
1cos：
Ud—0.45U2_
2
Ud==24V时:
-:
39,v-180-39、=141
取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为168.8V和
65.4A。
变压器二次侧有功功率P=l22R二51.3820.8二2112W
变压器二次侧视在功率S二U212=6051.38二3.08kVA
电源侧功率因数P^P0.68
S
2.7某电阻性负载，Rd=50Q要求Ud在0~600V可调，试用单
相半波和单相全控桥两种整流电路来供给，分别计算：
（1）晶闸管额定电压、电流值；
（2）连接负载的导线截面积（导线允许电流密度j=6A/
mm2）;
（3）负载电阻上消耗的最大功率。
解：
（1）单相半波〉=0
Ud600
Ud600
121333V,Id
-12A
0.450.45
Rd50
晶闸管的最大电流有效值
IT=1.57ld=18.8A
晶闸管额定电流为1
t（av）_It=12（A）
1.57
晶闸管承受最大电压为
Urm-、2U2=1885V
时，U
取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和30A。
所选导线截面积为^lj=18.8^3.13mm2
Ud600
时,U2-667V,Id
0.90.9
U1=^00=12A
Rd50
负载电流有效值
=1.11Id=13.3A
（Kf=1.11）
晶闸管的额定电流为
IT（AV）
-上=6（A）
1.57
晶闸管承受最大电压为
Urm-2U2=1885V
取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和20A。
所选导线截面积为
s_IJ=13.36：
2.22mm2
负载电阻上最大功率
Pr=12R=8.9kW
2.8整流变压器二次侧中间抽头的双半波相控整流电路如图题2.8所示。
（1）说明整流变压器有无直流磁化问题？
（2）分别画出电阻性负载和大电感负载在a=60时的输出电压
Ud、电流id的波形，比较与单相全控桥式整流电路是否相同。
若已
知U2=220V，分别计算其输出直流电压值Ud。
（3）画出电阻性负载a=60时晶闸管两端的电压Ut波形，说明该电路晶闸管承受的最大反向电压为多少？
图题2.8
解：
（1）因为在一个周期内变压器磁通增量为零，所以没有直
流磁化。
（2）其波形如下图所示，与单相全控桥式整流电路相同。
电阻性负载：
1+cosaO.X220汉（1+cos60°）
Ud=0.9U2148.5V
22
感性负载：
Ud=0.9U2cos「=99V
（3）其波形如下图所示，晶闸管承受的最大反向电压为2、、2U2
2.9带电阻性负载三相半波相控整流电路，如触发脉冲左移到自然换流点之前15°处，分析电路工作情况，画出触发脉冲宽度分别为10°和20°时负载两端的电压Ud波形。
解：
三相半波相控整流电路触发脉冲的的最早触发时刻在自然换流点，如触发脉冲左移到自然换流点之前15°处，触发脉冲宽度
为10°时，不能触发晶闸管，Ud=0。
触发脉冲宽度为15°时，能
触发晶闸管，其波形图相当于a=0°时的波形。
2.10三相半波相控整流电路带大电感负载,
Rd=10Q，相电
压有效值U2=220V。
求a=45时负载直流电压Ud、流过晶闸管的平
均电流IdT和有效电流IT，画出Ud、斤2、Ut3的波形
解:
1浮故厂…7
Ud6.2U2sin，td（，t）=1.17u2cos：
d2二/3訂2'）
因为：
U2=220V,a=45°
Ud=1.17U2cos45=182V
■l
J—
Ji'"!
w■-
X
-
k'-1—11
、一/■.Ji
Ud、iT2、UT3波形图如下所示:
l七
2.11在图题2.11所示电路中，当a=60时，画出下列故障情况下的Ud波形。
（1）熔断器1FU熔断。
⑵熔断器2FU熔断。
（3）熔断器2FU、3FU同时熔断。
图题2.11
解：
这三种情况下的波形图如下所示：
（C）
2.12现有单相半波、单相桥式、三相半波三种整流电路带电阻
性负载，负载电流Id都是40A,问流过与晶闸管串联的熔断器的平
均电流、有效电流各为多大？
解：
设〉=0
单相半波：
IdT=|d=40A
IT=1.57ldT=62.8A（Kf=1.57）
单相桥式：
IdT二丄ld=20A
2
三相半波：
1ldT=」ld=13.3A
3
当：
=0°时Ud=1.17U2U2=U/1.17
U212-.3
o一：
_30时It=21（coS）
Rd$2兀32
2.13三相全控桥式整流电路带大电感负载，负载电阻Rd=4Q,
要求Ud从0~220V之间变化。
试求：
（1）不考虑控制角裕量时，整流变压器二次线电压。
（2）计算晶闸管电压、电流值，如电压、电流取2倍裕量，选择
晶闸管型号。
解：
（1）因为Ud=2.34U2cos〉；不考虑控制角裕量，—-0时
晶闸管承受的平均电流为
ldT=—ld
3
取2倍的裕量,URh=460.6V
又因为Id
220V
=55A
U
d
所以Ir18.33A，取2倍的裕量IdTma>=36.67（A）
选择KP50-5的晶闸管。
2.14单结晶体管触发电路中，作为Ubb的削波稳压管Dw两端如
并接滤波电容，电路能否正常工作？
如稳压管损坏断幵，电路又会
出现什么情况？
答：
在稳压管Dw两端如并接滤波电容后，电路能否正常工作。
如稳压管损坏断幵，单结晶体管上峰值电压太高，不利于单结晶体管工作。
2.15三相半波相控整流电路带电动机负载并串入足够大的电抗器，相电压有效值U2=220V，电动机负载电流为40A，负载回路总电阻为0.2Q,求当a=60时流过晶闸管的电流平均值与有效值、电动机的反电势。
解：
电流平均值为：
心二1ld=40/3=13.3
3
电流有效值为:
It
=0.51lld
=23A
设电动机的反电势为E）,则回路方程为：
而Ud-.2U2sin，td（，t）ul.lTUhcos：
=128.7V
2兀/3¥故
所以ED=128.7-400.2=120.7V
2.16三相全控桥电路带串联Ld的电动机负载，已知变压器二
次电压为100V，变压器每相绕组折合到二次侧的漏感Li为100口
H，负载电流为150A,求:
（1）由于漏抗引起的换相压降;
（2）该压降所对应整流装置的等效内阻及a=0时的换相重叠
解:
（1）
u二y2
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