电力电子变流技术课后答案第1章.pdf

第一章 电力半导体器件 习题与思考题解 1-1晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？ 解：晶闸管导通的条件是：阳极承受正向电压，处于阻断状态的 晶闸管，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。门极所加正向触 发脉冲的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电 流，即擎住电流以上。导通后的晶闸管管压降很小。 使导通了的晶闸管关断的条件是：使流过晶闸管的电流减小至某个 小的数值维持电流以下。其方法有二： 1） 减小正向阳极电压至某一最小值以下，或加反向阳极电压； 2） 增加负载回路中的电阻。 1-2型号为KP100-3的晶闸管，维持电流IH=4mA，使用在题1-2图 中的电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？ 解：根据机械工业部标准JB1144-75规定，型为普通闸管， KP100-3的晶闸管，其中100是指允许流过晶闸管的额定通态平均电流为 100A，3表示额定电压为300V。 对于图(a)，假若晶闸管V被触发开通，由于电源为直流电源，则晶 闸管流过的最大电流为 因为IV 300(V) 所以，图(b)不满足电压指标，不合理。 对于图(c)，电源为直流电源，触发导通后，流过的最大电流 为IV1501150(A),即为平均值，亦是有效值。而IVE150A，IV 150(A)157（A），即IL IVIVE,所以电流指标合理。同时，晶闸管承 受的正向峰值电压为150V，小于300V，电压指标合理。所以图(c)合 理。 1-3在题图1-3电路中，E=50V，R=0.5，L=0.5H，晶闸管擎住电 流为15mA。要使晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？ 解：晶闸管导通后，主回路电压方程为 主电路电流按下式由零上升 晶闸管要维持导通，id必须上升达到擎住电流值以上，在此期间，门 极脉冲应继续维持，将Id=15mA代入，得 取， t150s。 所以，门极触发电流脉冲宽度至少应大于150s。 1-4单相正弦交流电源，交流电源电压有效值为220V。晶闸管和负 载电阻串联连接。试计算晶闸管实际承受的最大正反向电压。若考虑晶 闸管的安全裕量，其额定电压应如何选取？ 解：该电路运行可能出现施加于晶闸管上最大正反向峰值电压为 （V） 若考虑晶闸管的安全裕量，通常选择额定电压为正常工作峰值电压 的23倍。310620(V), 3310930(V),则选择额定电压为700V1000V的晶闸管。 1-5若题1-4中晶闸管的通态平均电流为100A，考虑晶闸管的安全 裕量，试分别计算导电角为180和90时，电路允许的峰值电流各是 多少？ 解： 在不考虑安全裕量时，选择晶闸管的原则是：使实际运行管子 电流的有效值IV1等于定义管子额定通态平均电流时的电流有效值IVE， 即两种情况下，管芯的结温相同并小于或等于额定结温。 当导通角180时， 则有 Im/21.57IVEAR 所以，晶闸管允许的峰值电流为 m=21.57100314（） 当导通角90时， 则有 所以，晶闸管允许的峰值电流为 (A) 考虑取安全裕量数为2时，则当导通角180时，电路允许的峰 值电流为 Im1=3142157， 当导通角90时，电路允许的峰值电流为 m24442222(A). 1-6.题1-6图中阴影部分表示晶闸管导电区间。各波形的电流最大值 均为Im,试计算各波形电流平均值Id1、Id2、Id3、Id4、Id5，电流有效 值I1、I2、I3、I4、I5和它们的波形系数Kf1、Kf2、Kf3、Kf4、Kf5. 解： 1-7题1-6中如果不考虑安全裕量，问100A晶闸管能送出的电流平 均值Id1、Id2、Id3、Id4、Id5各是多少？这时相应的电流最大 值Im1、Im2、Im3、Im4、Im5又是多少？ 解：额定通态平均电流IVEAR为100A的晶闸管允许通过电流的有效值 为 利用上题结果，图(a) 则 Im1=314(A) 图（b） 则 Im=341(A) 图(c) 则 Im=241(A) 图(d) 则 Im=314(A) 图(e) 则 Im5=444(A) 1-8晶闸管的额定电流是怎样定义的？有效值和平均值之间有何 关系？ 解：晶闸管的额定电流即指其额定通态平均电流VEAR .它是在规定 的条件下，晶闸管允 许连续通过工频正弦半波电流的最大平均值。如教材图1-8所示。 这些条件是：环境温度+，冷却条件按规定，单相半波整流电路 为电阻负载，导通角不小于170，晶闸管结温不超过额定值。 额定通态平均电流VEAR的电流等级如教材表所示。通常50以 下的管子分为1、5、10、20、30、50等级，1001000的管子分为 100、200、300、400、500、600、800、1000等级。 额定通态平均电流VEAR与在同一定义条件下的有效值IVE具有如 下关系： 其中， 为定义条件下的波形系数。 1-9导通角不同，电流的波形不一样，如何来选择晶闸管的电 流容量？ 解：导通角不同，电流的波形不一样，因而波形系数亦不相同， 角愈小，波形系数愈大。晶闸管电流的有效值、平均值V1AR 与波形 系数Kf1具有如下关系： IV1 = Kf1V1AR 具有相同平均值而波形不同的电流，因波形不同，其有效值是不相 同的。流经同一晶闸管发热情况也不相同，因为决定发热的因素是电流 的有效值，管芯发热效应是和电流的有效值大小有关。 因此，选择晶闸管额定电流参数的原则是：使电路各种实际运行情 况下（特别是最不利的情况）管芯的结温小于或等于额定结温。这样， 就能保证晶闸管在实际运行工作时，不致于因电流过载而损坏。 上述这一原则可归结为：使实际运行管子电流波形的有效值V1，等 于定义管子额定通态平均电流VEAR时的电流有效值IVE ，即 则晶闸管额定电流 1-10晶闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，会发生什么 情况？ 解：晶闸管承受正向阳极电压，并已导通的情况下，门极就失去了 控制作用。因此，晶闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，晶闸 管将保持导通状态不变。 1-11门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压它会导通吗？若真的 导通，是什么情况？ 解：门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压，有两种情况可造成晶 闸管的非正常导通。一是阳极电压UA过高，达到或超过IG时的转折 电压UB0时，使漏电流急剧增加；二是UA的电压上升率duAdt太快。 这两种因素造成的最终结果都是使从N1区通过反向偏置的J2结向P2区 （门极区）注入了足够数量的漏电流（空穴流），充当了二等效三极管 电路中的基极电流IB2，它相当于从门极提供的IG的作用，使其二等效三 极管的1、2极快上升至12，即1-(12)，进而 使阳极电流IA大大增加，并只受外电路电阻的限制，晶闸管进入导通状 态。 这两种不加门极触发控制信号使晶闸管从阻断状态转入导通状态的 情况是非正常工作状态，在实际使用中是不允许的，因为发生此类情况 常造成器件的损坏。 1-12晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点是什么？ 解：晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点如下： (1). 快速晶闸管 快速晶闸管的开关时间短，动态特性比普通晶闸管好，快速晶闸管 一般分为两种，一种是主要是关断时间短，另一种是didt是耐受量 高。主要用于斩波与高频逆变电路。 (2)。双向晶闸管 双向晶闸管是一种五层结构的三端器件，具有四种触发方式，分别 为+、-、+、=，其中+、-触发灵敏度较高，_触发灵敏度 稍低，较为常用，而+触发灵敏度最低，一般不用，使用不当会损坏 晶闸管。双向晶闸管主要用于交流电路，例如移相调压控制、零电压开 关和静态开关等。由于其内部工艺结构关系，目前器件的额定电压和额 定电流与普通晶闸管相比较还较低，重施加dudt的能力也较差。 (3)。逆导晶闸管 逆导晶闸管是将逆阻型晶闸管和大功率二极管集成在一个管芯上， 与普通晶闸管相比，具有正向压降小、关断时间短、温度特性较好、额 定结温高等优点。同时，消除了晶闸管与二极管之间的连线电感，减小 了换流时间，使晶闸管承受反向偏压的时间增长，提高了换流能力。而 且减少了装置的元件数目，缩小了体积，提高了经济性能。主要适用于 逆变电路和斩波电路。 (4).可关断晶闸管（） 可关断晶闸管（Gate Turn-off Thyristor）既可用门极正 脉冲信号控制其导通，又可用门极负脉冲信号控制其关断的逆阻型三端 器件。与普通晶闸管相比，快速性好，工作频率高，控制方便， 其最高耐压容量目前稍逊于普通晶闸管。 与普通晶闸管的关断机理不同，有两个重要的特征参数需要 特别注意，分别为最大可关断电流和电流关断增益off。其定 义分别为 最大可关断电流：表征用门极负脉冲控制信号可关断的最大 阳极电流，它是用来表征容量大小的参数。 电流关断增益off：电流关断增益的定义为阳极电流与使其关 断所需的最小门极电流min的比值，即 通常的off只有左右，但是，的导通或关断只需一 个窄脉冲电流即可，它需要的是瞬时功率，尽管关断时需要较大的负门 极电流，但平均功率较小。因此，的平均激励功率，比相同容量 的大功率晶体管小。 1-13何谓功率晶体管的开关特性？用图描述它的开关过程。 功率晶体管的开关特性是描述功率晶体管在开关过程中的开关时 间、电流电压、开关损耗等参数的性能。 功率晶体管的开关时间可用开通时间ton和关断时间toff来表 示，即 ton=td+tr toff=ts+tf 其中，td为延迟时间，tr为上升时间，ts为存值得时间，tf为下降时 间。 开关损耗发生在器件的开关过程中，瞬态功率损耗为 p=iCuc 维持的时间长了，就有可能导致管子产生二次击穿。总开关损耗与开关 频率（开关次数）有关，开关频率愈高，总开关损耗愈大。 各种参数的开关性能描述图参阅教材P1819中的图1-15和图1-16。 1-14描述功率晶体管的二次击穿特性？ 解：二次击穿现象在发射结正偏压、零偏压和反偏压都可能发 生，其特性曲线参阅教材P19中的图。 现以零偏压曲线OEBGH来说明二次击穿现象的发生过程。当增 大到，即达到点时，集电极电压达到通常所说的击穿电压，集 电结发生雪崩击穿，这就是一次击穿。 由于一次击穿效应，晶体管的电流迅速上升到点，达到，即 达到了二次击穿触发功率，进入了二次击穿区。但并不立即产生 二次击穿，而需要一个触发时间来积累触发能量临界值，一旦达到这个 临界值，管压突然从点减小到点的低电压区（1015V），同 时电流急剧增大。如果没有适当的保护措施，电流将继续沿曲线增 大到点，造成管子的永久性损坏。这种从高电压小电流向低电压大电 流跃变的现象，称为晶体管的二次击穿。 二次击穿触发时间，对于不同类型的二次击穿，时间的长短相差 很大，短的几乎是瞬时的，晶体管的状态不能稳定在区域内，而 且点是不可逆的，即使电路的保护措施可使晶体管回到触发前的状 态，但二次击穿已在管子内部留下了损害伤痕，性能变坏，重复几次仍 然使管子永久性失效。 1-5为什么功率晶体管在开关瞬变过程中容易被击穿？可采取什 么措施防止？ 解：在电路开关转换瞬变过程中，电路将产生过高的电压或电流， 有可能达到二次击穿触发功率，进而达到二次击 穿临界触发能量 ，产生二次击穿。 采用错开关期间瞬变电流和电压最大值相位的缓冲吸收保护电路， 减小开关期间的瞬时功率，是破坏二次击穿产生的条件，抑制二次击穿 的有效措施。 1-16功率晶体管反偏安全工作区很大，如何应用？ 解：在实际应用中，功率晶体管基极回路采用足够的反向偏置电 压，或者在若关断功率晶体管时，驱动电路产生负脉冲关断电压，使晶 闸管工作在反向偏置工作区，来提高管子的电压承受能力。 1-17绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT）有何突出的优点？ 解：绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT）是兼备功率场效应管 MOSFET的栅极电压激励、高速开关特性和GTR的大电流低导通电阻特 性于一体的复合型器件。 1-18MOS栅控晶闸管（MCT）有何突出的优点？ 解：MOS