1电力电子技术思考题与习题解答.doc

第一章 电力电子技术思考题与习题解答1 与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得它具有耐受高电压和大电流的能力？电力二极管大都是垂直导电结构，使硅片中通过电流的有效面积增大，可显著提高通流能力；在P和N区之间多了一层低掺杂N区即漂移区，可承受高电压不致击穿；虽然漂移区具有高电阻率不利于正向导通，但可通过电导调制效应来解决。2. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：uAK0且uGK0。另外在其它条件下，比如阳极电压过高产生雪崩效应，阳极电压上升率过高，结温较高，光直接照射硅片，也可能使晶闸管导通。3. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。4. 图1-43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，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。图1-43 晶闸管导电波形解：a) b) c) 5. 上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶闸管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多少？这时，相应的电流最大值Im1、Im2、Im3各为多少?解：额定电流I T(AV) =100A的晶闸管，由上题计算结果知a) Id10.2717 Im189.48Ab) , Id20.5434 Im2126.56Ac) Im3=2 I = 314A, Id3= Im3=78.5A三相桥式电路，工作于逆变状态，设电流连续，计算：（1）输出电流平均值；（2）输出电流有效值；（3）晶闸管电流有效值；（4）交流电源端功率因数。解：6 GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不能？答：GTO内部有数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，且阴极和门极在器件内部并联在一起，这种多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间距离大为缩短，使得P2基区的横向电阻很小，使从门极抽出较大的电流成为可能；从等效电路原理上讲，设计时较大，V2控制灵敏，使得GTO易于关断；接近于临界饱和，没有晶闸管饱和程度深，有利于门极控制关断。多元集成结构还使得比普通晶闸管开能快，承受电流变化率能力更强。7 电力MOSFET具有怎样的结构特点才具有耐受高电压和大电流的能力？MOSFET驱动电路简单、驱动功率小；开关速度快、工作频率高；但容量低、耐压低，10KW以下。采用垂直导电结构和多元集成结构，还有一个漂移区来承受高电压，但无电导调制效应，因而通态电阻大，通态压降高，通态损耗大。8 试分析IGBT和电力MOSFET在内部结构和开关特性上的相似与不同之处？IGBT比VDMOSFET多一层p+注入区，形成面积很大的P+N结，可实现对漂移区电导率进行调制，具有很强的通流能力；而后者总存在高耐压和低通态电阻的矛盾。其开通和关断过程与MOSFET相似。同时，电导调制效应也带来了少子储存现象，因而IGBT开关速度要低于MOSFET。二者的开关过程都受到主回路结构、控制方式、缓冲电路及主电路寄生参数等条件的影响，必须在实际电路设计时加以考虑。9 宽禁带半导体材料做成的电力电子器件有哪些方面的优越性？宽禁带是指3电子伏特以上的半导体材料如碳化硅、氮化镓、金刚石等材料。比硅有高得多的临界雪崩击穿电场强度和载流子饱和漂移速度、较高的热导率和相差不大的载流子迁移率。因而耐压高、通态电阻低、导热好热稳定性好，在耐高温和射线辐射方面的性能成数量级的提高。这些器件可能成为将来的发展方向。10 电力电子集成技术可带来哪些益处？功率集成电路与集成电力电子模块实现集成的思路有何不同？模块化是电力电子器件研制和开发的一个趋势。功率模块是按拓扑结构将主回路的电力电子器件集成在一个模块中，可降低成本、缩小体积和提高可靠性，对于工作频率较高的电路还可大大减小线路电感，从而减少对保护和缓冲电路的要求。如IGBT模块、晶闸管模块。功率集成电路比功率模块集成度更高。它是将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上。有几种名称：强调器件和电路集成电路在一个芯片上称为单片集成。而高压集成电路是将横向高压器件和控制电路的单片集成。智能功率集成电路指纵向功率器件与控制电路的单片集成。难点在于高低压电路之间的绝缘及温升和散热的有效处理。主要用于小功率的场合。所谓封装集成是将不同模块和电路通过专门设计的引线或导体连接起来，它避开了上述技术难题。11 试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。解：对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表：器 件优 点缺 点IGBT开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电 力MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置1-13产生原因：a. 由分闸,合闸产生的操作过电压。b. 雷击引起的雷击过电压。c. 晶闸管换相过程中产生的换相电