变频技术及应用 第2章.doc

习 题 22-1 答： 晶闸管导通必须同时具备两个条件：一是晶闸管阳极电路加适当的正向电压；二是门极电路加适当的正向电压（实际工作中，门极加正触发脉冲信号），且晶闸管一旦导通，门极将失去控制作用。晶闸管导通后，就可以通过很大的电流，而它本身的管压降只有1 V左右，因此晶闸管阳极伏安特性曲线（见图2-5）靠近纵轴而且陡直。在晶闸管导通后，若逐渐减小正向电压，正向电流也减小。当电流减小到某一数值时，晶闸管又从导通状态转为关断状态，这时所对应的电流称为维持电流IH，即维持晶闸管导通的最小电流。2-2 答：晶闸管阳极电路加适当的正向电压；门极电路加适当的正向电压，当正向电压增加到某一数值时，漏电流突然增大，晶闸管由关断状态突然导通。在晶闸管导通后，若逐渐减小正向电压，正向电流也减小。当电流减小到某一数值时，晶闸管又从导通状态转为关断状态，这时所对应的电流称为维持电流IH。维持电流是晶闸管维持导通的最小电流。因此要想使晶闸管维持导通，晶闸管通过的电流必须大于等于维持电流。在晶闸管导通后，若逐渐减小正向电压，正向电流也减小。当电流减小到维持电流以下时，晶闸管又从导通状态转为关断状态。或者给晶闸管施加反向阳极电压时，无论有没有门极电压，晶闸管都不能导通。由晶闸管阳极伏安特性曲线（见图2-5）可知，当晶闸管的阳极和阴极间加反向电压或流过晶闸管的电流IA降低至小于维持电流IH，晶闸管由导通状态转为关断状态。2-3 答：略。2-4 答：略。2-5 答：当流过晶闸管的电流IA降低至小于维持电流IH时，1和2迅速下降，使得1+2 很小，即IAICBO1+ICBO2，晶闸管恢复关断状态。2-6 答：略。2-7 答：只有一种载流子参与导电的器件称为单极型器件。常见的单极型器件有功率场效应晶体管MOSFET和静电感应晶体管SIT等。由电子和空穴两种载流子参与导电的器件称为双极型器件。常见的双极型器件有晶闸管（包括普通晶闸管SCR、双向晶闸管TRIAC、逆导晶闸管RCT、非对称晶闸管ASCR、门极可关断晶闸管GTO、静电感应晶闸管SITH）和功率晶体管GTR等。2-8 答：GTR必须用基极连续的电流驱动信号才能维持在通态，当移去这个信号时，GTR便自动关断。2-9 答：由于功率MOSFET是MOS器件，它有一定的输入电容，很容易吸收静电荷，静电荷积累过多，会使极间的电压超过允许值而毁坏器件。因此可采取以下几种静电保护措施：（1）功率MOSFET放置在防静电袋子或导电泡沫塑料内，操作者须带可靠接地的防静电手腕带拿取。（2）用手拿功率MOSFET时，不要用手触摸其管脚。（3）工作台须采用接地的桌子和地板垫。（4）电烙铁要良好接地，在功率MOSFET电控系统中要设置过电压、欠电压、过电流和过热保护单元，以保证安全可靠地工作。2-10 答：IPM的优点有以下几个方面：（1）开关速度快。IPM内的IGBT芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠IGBT芯片，驱动延时小。（2）低功耗。IPM内部的IGBT导通压降低，开关速度快。（3）快速的过流保护。IPM实时检测IGBT电流，当发生严重过载或直接短路时，IGBT将被软关断，同时送出一个故障信号。（4）过热保护。在靠近IGBT的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板过热时，IPM内部控制电路将截止栅级驱动，不响应输入控制信号。（5）桥臂对管互锁。在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁，有效防止上下臂同时导通。（6）抗干扰能力强。优化的门级驱动与IGBT集成，布局合理，无外部驱动线。（7）驱动电源欠压保护。当驱动控制电源低于一定值（一般为15 V）时，就会造成驱动能力不够，增加导通损坏。IPM自动检测驱动电源，当低于一定值超过10 s时，将截止驱动信号。（8）IPM内藏相关的外围电路。简化了开发步骤，缩短了上市时间。（9）无须对功率开关器件采取防静电措施。（10）减少了元器件数量，缩小了体积。（11）采用了专用IC对门极进行控制、保护，不需要考虑短路及开关浪涌电压带来的裕量问题，实现了真正的高性能化。2-11 答：晶闸管电路对触发电路的要求有以下几个方面：（1）触发信号要有足够的功率。（2）触发脉冲必须与主回路电源电压保持同步。（3）触发脉冲要有一定的宽度，前沿要陡。（4）触发脉冲的移相范围应能满足主电路的要求。2-12 答：对于同步电压为锯齿波的触发电路（见图2-29），工作时，把负偏移电压Ub调整到某值固定后，改变控制电压Uc，就能改变ub4波形与时间横轴的交点，就改变了V4由截止转为导通的时刻，从而改变了触发脉冲产生的时刻，也就是改变控制角，达到移相控制的目的。通常设置Uc0对应角的最大值，Uc增大时，角随之减小。设置负偏移电压的目的是为了使控制电压Uc为正，以实现单极性调节。在电路中，电路是在V4导通的瞬间，也就是V5转为截止的瞬间，开始产生输出脉冲的，V5截止的持续时间即为输出脉冲的宽度，可见，输出脉冲宽度，可由C3反充电的时间常数C3R14来设定。改变C3R14的大小，可改变输出脉冲的宽度。2-13 答：对IGBT栅极驱动电路的要求有一下几点：（1）IGBT为电压驱动，输入极为绝缘栅极，有一个容性输入阻抗，对电荷积聚很敏感，因此驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线应尽量短。（2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压UGE的前后沿足够陡峭，减少IGBT的开关损耗。IGBT开通后，栅极驱动源能提供足够的功率，以使IGBT的开、关可靠，并避免在开通期间因退饱和而使IGBT损坏。（3）要提供大小适当的正反向驱动电压UGE。正向偏压UGE增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降。但若UGE过大，则在有短路过程的设备中，IC随UGE的增大而增大，使IGBT能承受短路电流的时间减小，不利于其本身的安全。为此，UGE应取得小一些，一般选UGE为1215 V。（4）在关断时，为尽快抽取IGBT的存储电荷，防止因关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，应对其施加负偏压（UGE），但其值又受C、E间最大反向耐压限制，一般取510 V。（5）要提供合适的开关时间。快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗，但在大电感负载情况下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，防止元器件击穿。（6）要有较强的抗干扰能力并带有对IGBT的保护功能。（7）IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，因此驱动电路与信号控制电路在电位上应严格隔离。2-14 答：产生过电流的常见原因有以下几个方面：（1）电网电压波动太大。（2）电动机拖动的负载过大。（3）整流电路直流输出侧短路和逆变电路因逆变失败引起的短路。（4）可逆传动环流过大或控制系统存在故障。（5）内部晶闸管损坏或触发电路故障使晶闸管误导通，造成相邻桥臂上的晶闸管导通，引起两相电源短路。2-15 答：过电流保护措施有以下几种：（1）快速熔断器保护。（2）过电流继电器保护及脉冲移相保护。（3）拉逆变过电流保护。（4）直流快速断路器保护。（5）进线电抗限制保护。过电压保护措施有以下几种：由于几乎不可能从根本上消除产生过电压的根源，因而只能设法将过电压的幅度限制到安全范围之内。针对这种尖峰状瞬时过电压，最常用的方法是在晶闸管两端并联RC吸收元件，利用电容两端电压不能突变的特性来吸收尖峰电压，把电压限制在晶闸管允许的范围内。（1）采用避雷器过电压保护措施。（2）接地电容过电压保护措施。（3）阻容保护（4）整流式阻容保护（5）硅堆保护（6）压敏电阻保护（7）晶闸管泄能保护（8）换相过电压保护2-16 答：针对尖峰状瞬时过电压，最常用的方法是在晶闸管两端并联RC吸收元件，利用电容两端电压不能突变的特性来吸收尖峰电压，把电压限制在晶闸管允许的范围内。串联电阻R的作用是为了限制晶闸管开通损耗和电流上升率，并防止电路产生振荡。如不串电阻，电容两端将会产生比电源电压高得多的振荡电压，将导致晶闸管被击穿。而且，在晶闸管承受正向电压未导通时，电容C已充电，极性如图2-54所示。在晶闸管触发导通的瞬间，电容C迅速经晶闸管放电。若没有电阻限流，这个放电尖峰电流将很大，不仅增加晶闸管开通损耗，而且使流过晶闸管的电流上升率di/dt过大，易损坏晶闸管。由于C与R的作用是吸收或消耗过电压的能量，因此这种电路称为阻容吸收电路，见图2-54中所