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电力电子技术课习题答案第一章题1.使用晶闸管条件是什么?解：使晶闸管导通的条件是当晶闸管处于正向阳极电压之下，并有一定的门极电流（即门级触发电压）。题2. 维持晶闸管导通的条件是什么?怎样才能晶闸管由导通变为关断?解：维持晶闸管导通的条件是：当晶闸管导通后，只要有正向阳极电压存在，同时阳极电流大于晶闸管导通时所必需的最小电流（即维持电流），晶闸管就能维持导通；要使晶闸管关断，可以去掉阳极电压或负的阳极电压，或使阳极电流小于维持电流。题3. 单相正弦交流电源，电压有效值为220v，晶闸管和负载电阻串联相接，试计算晶闸管实际承受的正反向电压最高是多少?考虑品闸管的安全裕量。其额定电压应如何选取?解：晶闸管实际承受的正反向电压最高为311V；考虑安全裕量，额定电压应为最高电压的23倍，即622933V，可取700V。题4. 如上题中晶闸管的通态平均电流为100A，考虑晶勤闸管的安全裕量，试分别计算导通角为180(全导通)和90时,电路允许的峰值电流各是多少?解：=时，1m314A, 1m157A; =/2时，2m=444A，2m=222A。题5 图1-11中阴影部分表示晶闸管导通区，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3及其波形系效Kf1、kf2、kf3。 解：a)Id1=0.27Im,I1=0.4767,Kf=I1/Id1=1.755 Id2=0.543Im,I2=0.674,Kf2=1.24 Id3=0.25Im,I3=0.5Im,Kf3=2题6. 上题中如果不考虑安全裕量，问100A的晶闸管能送出平均电流Id1、Id2、Id3各为多少？这时，相应的电流最大值Im1、Im2、Im3各多少?解：1)Id1=90A,Im1=331A Id2=126A,Im2=232A Id3=78.5A,Im3=314A第二章 题1. 具有续流二极管的单相半波晶闸管整流电路，对发电机励磁绕组供电。绕组的电阻为5，电感为0.2H，励磁直流平均电流为10A,交流电源电压为220V,计算晶闸管和续流二极管的电流有效值，并指出其电压定额。解：WL=2pfL=62.835，为大电感性负载。流过晶闸管的电流的有效值：平均电压： ，二极管的电流有效值： A晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压为V，取其23倍，取622933V。 题2. 上述电路，当0和45时，试计算晶闸管和续流二极管的电流平均值和有效值。在什么情况下续流二极管中的电流有效值大于晶闸管的电流有效值?解：对晶闸管5A， 对晶闸管3.75A， 对续流二极管：， ， 在情况下， 。题6.单相桥式不可控整流电路中，U2=220V，求在电阻负载R=10和电阻电感负载R=10、L值极大情况下的整流电压Ud、负载电流Id、二极管的平均电流IdD以及二极管与电源输入电流的有效值ID和I2，并作出ud、id、iD、i2的波形。解：(1)：Z=R=10 （2）：负载为电感负载： 例题1：三相半波逆变电路，直流侧是阻感反电动势负载，已知：R2,L极大，E200V是一直流发电机的电势，输出功率P5 kW, =220V, =1mH,求：逆变角和晶闸管电流值（换流瞬间完成）解：输出电流（A） 直流侧电阻和漏抗压降：（V）逆变时为负，反电动势向电源回溃能量而第三章：1 单相桥式全控整流电路，阻感负载，R=5，L=，变压器漏感LB=2mH,U2=110V，U1=220V，当=0时，求Id，I2，11和并作出ud，id，iT与i2的波形。解： 漏感内阻： 2 单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1，L=，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH,当=60时求Ud、Id与的数值。解：因为感性负载: 3.三相半波整流电路，采用硅整流管，其电压为700V,通态平均电流为200A，器件不串不并，不考虑安全裕量，求此整流器的输出最大电压、电流和功率。解：（1）首先按电阻负载: 求出电源电压：因为三相半波最大正向电压，反向，以最严重情况定：700最大输出电压为：时，输出整流电压最大求出整流管能输出的电流：先求出每个整流管的波形系数： （一个整流管在整个周期的整流平均值） （A）此结论是一个整流管在整个周期的整流平均电流值。而由三个管子得到的整个整流电路的整流电流平均值：由前面的表达式，电流峰值：由（A）电阻情况下的电压、电流波形相似，由瞬时值功率表达式： 设wtx（kW）（2）按电感负载, 先求出电源电压：0输出平均电压最大:求出整流管输出电流：先求出一个整流管的波形系数:, （A）由三个整流管得到的整流电路的整流电流求输出功率: 三相半波可控整流电路，阻感负载，欲借调节达到维持Id=250A为恒值，已知B=0.08，附加直流端压降U=10V，供电电压经常在1.15额定范围内变化，求U2值和变化的范围。解： 当不变化时，取0 第四章 4.1对应于图4-3，设/2，若EMUd,情况如何？ EMUd时，工作情况又如何？解： 4.4单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1，L=，U2=100V，L=0.5mH，当EM=-99V，=60时求Ud、Id和的数值。4.5三相半波变流器，反电动势阻感负载，1，L=，U2=100V，Ld=1mH，当EM=-150V，=60时求d、Id和的数值。 4.6三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R=1，L=，U2=220V，L=1mH，EM=400V，=60时求Ud、Id与的数值，此时送回电网的平均功率是多少？解：例1 单相半波可控整流电路，负载为电阻性。接交流电源220V，要求输入的直流平均电压为50V。最大输出直流平均电流为20A。计算晶闸管的控制角a，电流有效值，负载的功率因数cosf并选用晶闸管。解： 对于单相半波可控整流电路，输出平均电压为 由于，因此可以求得：. 所以 对于电阻负载的单相半波可控整流电路，其直流平均值为: 电流有效值为: 于是可以求得波形系数为： 当时，则: 根据晶闸管通态平均电流的规定，从有效值相等的原则，折算到 时的电流平均值，则: 晶闸管的通态平均电流应大于，一般取1.52倍的裕量，因此 , 可以取。 晶闸管承受的最大正反向电压实际值为：。 考虑23倍的裕量，晶闸管的额定电压可取：,取700V即可。例2 某可调直流电源带纯电阻负载，采用单相桥式全控整流电路接线入图24所示。要求输出的直流平均电压连续可调，在这个范围内，要求输出的平均电流为20A。为了可靠控制，设最小控制角,并考虑两个晶闸管的平均压降为2V，接线压降为1V，计算晶闸管的电流有效值和变压器副边相电压和电流的有效值的大小。解： 最高整流输出电压为： 由和最小控制角， 求得： 因为要求输出平均电流在1230V之间均为20A，因此计算有效值时应考虑比较严重的情况，当时的角最大，输出电流波形系数最大，如果这种情况下能输出20A电流，则当角变小时就没有问题。计算该情况下的控制角和电流值有：, 由, 可以求得: ，由此求得： 在单相全控桥式可控整流电路带电阻性负载时，变压器副边电流有效值与负载直流电流平均值之比与控制角的关系满足下式，即: ， 当时，代入上式可求得： 则 ： 流过晶闸管的电流值为： 例3 如图22的单相桥式全控整流电路，其负载电阻,电感L足够大，电流的脉动可以忽略，要求当时输出电压平均值，试求1、整流变压器副边电压有效值和电流有效值；2、通过晶闸管的电流有效值和晶闸管在电路中承受的正反向峰值电压和；3、该装置的功率因数。解： 画出、的波形如图25所示 1、 当时，于是可以求得： ， 2、 晶闸管在线路中承受的正向和反向峰值即为变压器的峰值，其值为 ， 例4 某电解装置系电阻性负载，要求输出电压，输出电流，采用经变压器的三相桥式半控整流电路供电（如图28所示。考虑，电源是相电压为220V的三相交流电网，试估算变压器副边相电压和相电流的有效值、晶闸管和二极管的定额。解： Id400A 对于三相半控整流电路，对共阴极晶闸管的触发角为，对共阳极的整流管是在自然换相点换相： 取，但角不能再大了，即: 角不能变化了,否则，输出电压达不到100.8V (当取) 换算成通态平均电流 取（1.52）的裕量 ： 所以：晶闸管最大耐压： 100.8246.9（V）取（23）的裕量，493740（V），取600（V）电流驱动器件的特点： 晶闸管、可关断晶闸管、和电力晶闸管都是电流驱动。特点是：1 在器件内有电子和空穴两种载流子导电，属于双极型器件。2 电子和空穴的复合使器件温度升高，引起发热。3 两种载流子器件有导电调节作用，使导电电压降低，导通损耗小。4 双极型器件的载流子在关断时的存储时间降低了器件的工作效率。5 电流控制型的器件控制极输入阻抗低，控制电流和功率大。MOSFET器件原理： MOSFET器件，如图1.39(a)所示，它有设计成漏极、源极和门极的3个外接端子。这些分别的相对应于双极型三极管的集电极、发射极和基极。低功率MOSFET通常有平面型结构，如图1.39(b)所示。制造从p型硅基片开始，扩散入两个p+区。为了金属的源极和漏极与p+极连接蚀刻在生长在表面的绝缘的氧化硅层。同时把金属喷涂在氧化硅层以形成门极接触，在没有门极偏置的情况下，由于两个背对背p-n结漏极和源极之间电流不能流动。但是，当绝缘的门极相对于源极为正时，电场曳引自由电子到p基片的表面。这个过程形成一个n型够道，它使电子从源极流向漏极并引起横向电流，如图1.39(b)中用箭头所示。随着门极电压增加，电流流动增强，形成较深的导通通道。因此，图1.39(b)中的n通道增强型平面MOSFET是电压控制的电流器件，其导通完全是由于电子的移动。相反的，可能构造p通道MOSFET，其导通完全是由于空穴的移动。通常，MOSFET的导通只依靠多数载流子，与双极晶体管截然不同，其中空穴和电子的流动促使电流流动。因此，消除了少载流子的移动或复合的时间延迟，MOSFET可以在频率在兆赫的范围内开关。应当注意门极接触电气上是绝缘的，曳引可忽略的dc漏电流，但是器件的输入电容必须在开关周期充电和放电。图1.39(b)中所示的主要缺点是它需要漏极和源极之间长的导通通道，通态电阻的数值大。与这个高阻有关的大的功率损耗限制了平面型MOSFET的应用，其功率等级约1W。新型功率MOSFET保留有平面MOSFET的高输入阻抗和高开关速度，而且用让电流垂直的流动而不是水平的通过器件的方法克服它的功率控制限制。这种垂直DMOS工艺结果形成图1.40所示n通道器件的结构。它有一个n+基片，其中外延生长一个高电阻n-层。这个外延层的厚度和电阻率取决于器件要求的阻断电压耐量。如图1.40中所示，随后p-区被扩散入外延层，而且在这些区内扩散n+层，附加一个绝缘的门极接触。也是喷镀使源极金属化，而且从器件基片收集漏极电流。一个实际的MOSFET具有网格结构，其中这种基本源单元在单位硅片上被重复成千次。正如平面MOSFET中一样，正的门极电压造成门极氧化层下p-材料中诱发的电子的导通通道。电流从漏极垂直的流动，随后横向流过通道区，如图1.40中用箭头所示。通道长度取决于扩散过程而且可以准确的控制，获得短的长度和低的通态电阻。对于正常运行，n沟道MOSFET漏极至源极电压是正的，但是如果反向施加电压，器件呈现为正向偏置的p-n结。然而，这个内部反向二极管不会有在高频逆变器电路中起反并联反馈二极管作用所需要的快速恢复特性。图1.41中表示了具有适当的电压电源的n通道功率MOSFET的基本开关电路，而且为了比较包括了n-p-n双极晶体管电路。在MOSFET中，用门极电压控制漏极电流。图1.42中MOSFET输出特性表示了用门极至源极电压作为参数时漏极电流和漏极至源极电压的关系。在低值时，曲线近似成线型，表示通态电阻为常值，,当增加时，运行特性进入衡电流区，这里特性相对平坦，正象在双极晶体管中情况一样，可以把负载线叠在这些输出特性上，而且作为功率开关使用，运行是在完全导通或关断状态，迅速从一种状态变为另一种状态。绝缘门极晶体管（IGBT）的工作原理：IGBT（IGT）是场控器件，但参与导电的有两种载流子，电子和空穴。从上图可见，IGBT的结构是在VDMOS管结构的基础上又增加了一个P+层；。这时G仍为门极，原来VDMOS的源区电极称发射极（E），而从新增的p+引出的电极称集电极（C）。在电路中应用时C接正电极，E接负电极，当施加正的门极发射极电压UGE时器件开通，无信号或加负UGE时关断。在VDMOS中，漏极电流ID要经过一个电阻率比较高的漂移区，又全部是依靠多数载流子导电，即只能由区本身参杂绝对的较低的电子浓度参与导电，所以导通电阻比较大，若要提高VDMOS的电压等级，则层要加厚，VDMOS的导通电阻更大，限制了VDMOS电压定额的提高。现在增加了P层，引入了PN结，这样在器件导通时，正向导通的PN结能向漂移区注入空穴，产生电导调制效应，使N区导通时的有效电阻率降低到几十分之一。因此IGBT器件的通态压降低，其数量级的双极晶体管相当。器件的电压定额就可以较高，目前已有1200V，400A的IGBT商品。由于引入少子行为，故存在少子的存储现象，因此IGBT的开关频率比VDMOS低，普通型为10KHZ，快速型为25KHZ。开通时间一般为0.51.5US，关断时间1.04US。从IGBT结构中还可以看到内部明显的寄存着一个晶闸管，因此要抑制晶闸管通道的锁定效应，以免IGBT管失控。J3结短接和在P衬底与漂流区之间引入一个N缓冲区就是为了抑制锁定效应。而且在使用时也应避免器件承受过高的和过大的电流。一 IGBT的开关特性IGBT的开通特性与VDMOS相同，若要提高开通速度，降低栅极驱动电路电阻与电源内阻，使栅极电容回路充放电时间常数变小，栅极电压上升快。可以缩短开通时间。在栅极绝缘允许的前提下，提高栅极电压也可以缩短开通时间。二 IGBT的主要特点1 IGBT是混合型器件；2 有少子存储现象，工作频率低于VDMOS；3 集电极电流不能达到擎住电流，以免控制失灵；4 由于N+层的存在，减小了内部电阻，有助于 提高擎住电流；5 负门极电压有利于抑制误导通；6 IGBT有正的伏安特性，易于并联；7 栅极电阻选择合适可以减小电流上升率， 太大会增加开关损耗；8 G、E间加电阻以放掉积累电荷，防止误导通。9 串联的稳压管是对驱动电压限限幅，以防电压尖峰。四IGBT的驱动保护电路： IGBT为门极电压驱动器件，由于高输入阻抗，驱动功率很小，但由于存在几百到几千皮法的输入电容，仍需要一定容量的瞬时电流（如几十毫安至几百毫安）。为了使IGBT很块导通，驱动电源的内阻要尽量小些。开门电压应选,一般选15V。为防止由于过高的引起IGBT的误导通，关断时最好加上5V的关门电压。 IGBT的输入阻抗高且为容性，为了改善控制脉冲的前后延陡度和防止振荡，减小IGBT集电极产生的大的电压尖脉冲，要在门极串联电阻。增大，将使IGBT的通断时间延长，关断损耗也增加；而减小，又会使增高，可能引发误导通，或损坏IGBT。因此，应根据电流容量和电压额定值以及开关频率的不同，选择合适的阻值，一般选为十几欧至一百欧左右。为了防止器件误导通，在IGBT的门极发射极间务必并联一个电阻，如图1.49所示。的经验取值范围是，而且应将并联在门极和发射极最近处为宜。此外，为防止门极驱动电路出现高压尖峰，最好在门极发射极之间再接两个反向串联的稳压管。其稳压值分别取开门电压和关门电压。电场控制器件点：电力场效应晶体管和绝缘极双极型晶体管为电场控制器件，特点为：1 特输入阻抗高，控制电压小，电路简单。2 单极型器件不存在少子导电，无存储现象，工作频率高。3 混合型器件工作频率也高于双极型器件。 第二节 斩波电路斩波电路,即直流-直流变换器,通过改变通断时间将直流电压加到负载上。斩波电路使电能的控制与改变更加灵活。一斩波器的控制原理1. 功率控制原理 图52 直流斩波器原理和负载电压波形 S开关以高速反复进行通断，使加到Rl上的电压或功率发生改变式中，T为斩波周期，TON/T为导通比。改变TON/T为导通比，负载电压的平均值可以从零变化到Ud。上图中是纯电阻负载，纯电阻负载的电流波形与电压波形相同，如果要使电阻波形平滑，在电路中可以串入电感L和续流二极管，负载电流成为脉动电流，选择L/Rl的时间常数远大于开关周期即可。如图53。不计损耗，斩波器输入功率： 不计直流电流的纹波， 斩波器的输出功率： 不计输出电压纹波： 输入输出功率平衡： 这个式子与变压器原副方的电压电流关系相似，所以，斩波器可以看成直流变压器。2.调压原理a. 降压斩波在图53中，当电感L足够大时，负载电流的脉动可以忽略，电流i1的平均值I1与电流iR的平均值IR之间有下面的关系： 电源电压Ud与负载电压的平均值UR有下面的关系： 当导通比ToN/T从0到1之间连续变化时，负载电压也从0连续变化到电源电压Ud。 当URUd时，ToN/T =1，斩波已经成为直通。因此，只要有斩波，负载电压就低于电源电压。此种电路为降压斩波电路。b. 升压斩波开关S重复通断，电容器C使电压平滑。当开关S闭合时，电感L中的电流上升，储能增加。然后，S断开，能量从电感L移向电容C和负载。在适当的LCRL和接通比的情况下，可以得到比电源电压高的负载电压。设电容电感足够大，即没有电感电流和电容电压的变化；S闭合，则： S断开，则： 因为： 所以：负载电压在开关S工作时高于电源电压。c调阻原理现在来看如图所示的电路。在负载电阻RL上，仅仅在开关断开时，才有电流流过。改变开关通断的时间，则平均电流随之变化，如同可变电阻的作用一样。因此，回路的总电阻R，也可以用下式表示：RR。十 RL(ToffT)RO+RL(T-TON)/TR。十 RL(1一at) 此电路是根据斩波调阻原理工作的。这样，斩波器的功能中又增加了能够调整阻抗的这一功能。二斩波器的控制方式13 I 时间比控制方式1961年就已经采用了由摩根提出的 Time Ratio Contro1(TRC)按时间比的控制方式。一般来说，用斩波器控制直流的电路，都是时间比控制。atTonT，称为“导通比”。改变导通比就可以连续控制加于负载上的电压，使负载电压能够从零变化到电源电压值，这就叫做时间比控制。改变导通比at，有如下三种方式。1 定频调宽控制固定频率即固定周期 T，调宽就是改变了Ton，它的工作波形如下图所示，从图中看出，改变 Ton即珍变 T