王兆安第四版电力电子技术课后答案

第一章电力电子器件1 .接通晶闸管的条件是什么？a :接通晶闸管的条件是向晶闸管施加正向阳极电压，向栅极施加触发电流(脉冲)。 或： uAK0且uGK0。2 .维持晶闸管导通的条件是什么？怎样将晶闸管从开关切换到关闭？a :维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能够维持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。为了使晶闸管从导通截止，通过施加电压和外部电路的作用，使流过晶闸管的电流下降到接近零的某个数值以下，即维持电流以下，可以使导通的晶闸管截止。3 .图1-43中阴影部分是晶闸管处于接通区间的电流波形，各波形的电流最大值为Im，试着计算了各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3和电流有效值I1、I2、I3。图1-43晶闸管的导电波形解： a) Id1=()0.2717 Im毫米I1=0.4767 Imb) Id2=()0.5434 ImI2=0.898 Imc) Id3=0.25ImI3=0.5Im4 .如果在问题上不考虑安全裕度的话，100A的晶闸管能输出的平均电流Id1、Id2、Id3是多少？ 在这种情况下，对应的电流的最大值Im1、Im2、Im3是多少？解：由额定电流I T(AV)=100A的晶闸管、允许电流有效值I=157A、以上问题计算结果可知a) Im1329.35、Id10.2717 Im189.48b) Im2232.90、Id20.5434 Im2126.56c) Im3=2 I=314，Id3=Im3=78.55. GTO和普通晶闸管是一样的PNPN结构，为什么GTO能自我阻断，普通晶闸管不能吗？a:GTO与普通晶闸管具有相同的PNPN结构，由P1N1P2和N1P2N2配置两个晶体管V1、V2，分别具有公共基极电流增益和，从普通晶闸管的分析得到，=1是设备临界导通的条件。 1、两个等效晶体管过饱和导通1，不能在维持饱和导通的同时截止。GTO之所以能够自行关闭，是因为GTO和普通晶闸管在设计和过程方面有以下不同1) GTO在设计时大，晶体管V2的控制敏锐，GTO容易关闭2) GTO接通时接近1，普通晶闸管1.15、GTO为1.05，GTO的饱和程度不深，接近临界饱和，这为栅极控制关闭提供了有利的条件3 )多元集成结构减小了每个GTO元的阴极面积，增大了栅极和阴极间的距离，减小了P2极区域的所谓横向电阻，能够从栅极引出大的电流。6 .如何防止静电感应引起的功率MOSFET的破损？a :功率MOSFET的栅极绝缘层薄，容易被破坏破损。 MOSFET的输入电容为低漏电容，栅极开路时容易受到静电噪声，能充电超过20个破坏电压。为了防止MOSFET因静电感应而损坏，请注意以下几点一般不使用时，将这三个电极短路组装时必须将人体、桌子、烙铁接地，测试时必须将所有设备外壳接地在电路中，在栅极、源极之间总是并联连接齐纳二极管，防止电压过高漏、源之间也通过缓冲电路等吸收过电压。7. IGBT、GTR、GTO和功率MOSFET的驱动电路有什么特征？a:IGBT驱动电路的特征是，驱动电路具有小的输出电阻，IGBT是电压驱动型设备，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。GTR驱动电路的特征是，驱动电路所供给的驱动电流具有足够陡峭的前端，并且具有一定的过冲，可以加速导通过程，减少导通损耗，在关断时，驱动电路可以供给足够大小的反基极驱动电流，并且施加反向偏置关断电压来加速关断速度。GTO驱动电路的特征是，GTO在其驱动电路提供的驱动电流的前端需要足够的振幅和陡峭度，一般需要在整个导通期间施加正极电流，需要在截止期间施加负极栅极电流，振幅和陡峭度的要求更高，该驱动电路通常是导通驱动电路、截止驱动电路和栅极反偏置功率MOSFET的驱动电路的特点：驱动电路要求小输入电阻，驱动功率小，电路简单。8 .完全控制型设备的缓冲电路的主要作用是什么？ 试析RCD缓冲器电路中各元件的作用。答：全控制型设备的缓冲电路的主要作用是抑制设备的内因过电压、du/dt或过电流和di/dt，减少设备的开关损失。在RCD缓冲电路中，各元件的作用是导通时，Cs通过Rs放电，Rs通过VDs从Cs分流，减少du/dt，抑制过电压。试着说明IGBT、GTR、GTO和功率MOSFET的优点和缺点。解： IGBT、GTR、GTO和功率MOSFET的优点和缺点的比较如下表所示电子设备优点。缺点PS开关速度高，开关损耗小，有承受脉冲电流冲击的能力，导通电压降低，输入阻抗高，电压驱动，驱动功率小开关速度比功率MOSFET低，电压、电流容量达不到GTOGTR耐压高，电流大，开关特性好，流通能力强，饱和电压低开关速度低，电流驱动所需的驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次破坏的问题GTO电压、电流容量大，适合大功率的情况，具有电导调制效果，其流通能力强电流截止增益小，在截止定时栅极负脉冲电流大，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，驱动电路简单，工作频率高，没有二次破坏的问题电流容量小，耐压低，一般只适用于电力在10kW以下的电力电子设备第二章整流电路1 .单相半波控制整流电路向感应负载供给电力，求出L=20mH、U2=100V、=0和60时的负载电流Id，描绘ud和Id波形。解：=0时，电源电压u2的正半周期晶闸管导通时，负载电感l积蓄，晶闸管开始导通时，负载电流为0。 在电源电压u2的负半周期，负载电感l释放能量，晶闸管持续导通。 因此，在电源电压u21个周期中，下式成立考虑到初始条件，wt=0时，id=0可以求解方程=22.51(A )。ud和id的波形如下所示当=60时，在u2正半周期60180之间晶闸管导通，电感l被储藏，电感l所储藏的能量在u2负半周期180300之间释放，因此在u2一个周期中在60300之间以下的微分方程式成立考虑初始条件： wt=60时，id=0可以解方程式其平均值是=11.25(A )。此时的ud和id的波形如下2 .图2-9是具有变压器中心抽头的单相全波控制整流电路，询问该变压器是否有直流磁化问题试制说明：晶闸管受到的最大逆电压为2；负载为电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控制桥时相同a :具有变压器中心抽头的单相全波控制整流电路没有直流磁化的问题。单相全波控制整流电路变压器的二次绕组中，正负半周期上下绕组内的电流方向相反，波形对称，其一个周期平均电流为零，因此没有直流磁化的问题。晶闸管接受最大的反向电压、输出电压和电流波形的情况分析如下。以晶闸管VT2为例。 当VT1导通时，由于晶闸管VT2经由VT1与两个变压器的次级线圈并联连接，因此VT2所接受的最大电压为2。单相全波整流电路和单相全控制桥整流电路的触发角a相同时，对于电阻负载： (0)期间晶闸管不导通，输出电压为0； 在()期间，单相全波电路中VT1导通，单相全桥电路中VT1、VT4导通，输出电压与电源电压u2相等相对于感应负载： ( )期间，单相全波电路中VT1导通，单相全桥电路中VT1、VT4导通，输出电压与电源电压u2相等可以看出两者的输出电压相同，如果施加到相同的负载上，输出电流也相同。3 .单相桥整流电路，U2=100V，负载中R=2，l值极大，=30时，要求制作ud、id、i2的波形求出整流输出平均电压Ud、电流Id、变压器二次电流有效值I2考虑安全裕度，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解ud、id、i2的波形如下所示输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2分别为ud=0.9u2cos=0.9100 cos 30=77.97 (v )Id=Ud /R=77.97/2=38.99(A )I2=Id=38.99(A )晶闸管受到的最大逆电压如下所示U2=100=141.4(V )考虑到安全裕度，晶闸管的额定电压如下UN=(23)141.4=283424(V )具体数值可通过晶闸管产品系列的参数进行选择。晶闸管中流过的电流有效值如下所示IVT=Id=27.57(A )晶闸管的额定电流是IN=(1.52)27.571.57=2635(A )具体数值可通过晶闸管产品系列的参数进行选择。4 .描绘单相桥半控制整流电路、电阻性负载、整流二极管在一周内受到的电压波形。解：关注二极管的特征，施加电压为正导通。 因此，施加在二极管上的电压没有出现正部分。 在电路中的器件没有导通的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。整流二极管在一周内受到的电压波形如下所示5 .单相桥整流电路，U2=100V，负载中R=2，l值极大，反电位E=60V，a=30时，要求：制作ud、id、i2的波形求出整流输出平均电压Ud、电流Id、变压器二次侧电流有效值I2考虑到安全馀量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解ud、id、i2的波形如下整流输出平均电压Ud、电流Id、变压器二次侧电流有效值I2分别为ud=0.9u2cos=0.9100 cos 30=77.97 (a )Id=(Ud-E)/R=(77.97-60)/2=9(A )I2=Id=9(A )晶闸管受到的最大逆电压如下所示U2=100=141.4(V )各晶闸管中流过的电流的有效值如下所示IVT=Id =6.36(A )晶闸管的额定电压是UN=(23)141.4=283424(V )晶闸管的额定电流是IN=(1.52)6.361.57=68(A )晶闸管的额定电压和电流的具体数值可通过晶闸管产品系列的参数进行选择。6 .晶闸管串联的单相半桥(桥VT1、VT2是晶闸管)，如图2-11所示，求出U2=100V、电阻感应负载、R=2、l值大、a=60时流过装置的电流的有效值，求出ud、id、iVT解： ud、id、iVT、id的波形如下所示负载电压的平均值是=67.5(V )负载电流的平均值如下所示Id=UdR=67.522=33.75(A )晶闸管VT1、VT2中流过的电流有效值PK=PS=19.49 (a )流过二极管VD3、VD4的电流有效值PS=PS=27.56 (a )7 .在三相半波整流电路中，当a相的触发脉冲消失时，通过电阻性负载和电感性负载来描绘整流电压ud的波形。解：负载为电阻时，假设ud的波形如下负载为电感时，ud的波形如下8 .三相半波整流电路，可以将整流变压器的二次绕组分为两级成为曲折接合法，各级电动势相同，其级的配置及其矢量如图2-60所示，此时绕组的绕组增加了一点，铜的材料增加了约10%，变压器铁心被直流磁化了吗为什么？图2-60变压器次级线圈的蛇行接合法及其矢量图a :变压器铁心不会被直流磁化。 理由如下：变压器的次级线圈为一个周期，当与a1c2对应的晶闸管接通时，流过a1的电流，当流过c2的电流而c1b2的对应的晶闸管接通时，流过c1的电流，当流过b2的电流而与b1a2对应的晶闸管接通时，流过b1的电流， 关于流过a2电流的变压器的初级线圈，一个周期有两个时间(分别为120 )通过电流流过，流过的电流的大小相等，是相反方向，所以一个周期流过的电流的平均值为零，所以变压器铁心不被直流磁化。9 .三相半波整流电路的共阴极接合法和共阳极接合法，a、b二相的自然相变点是同一个点吗？否则，相位有多少不同呢？a :三相半波整流电路的共阴极接合法和共阳极接合法，在a、b的两相间交换相的自然相变点不相同。 相位相差180度。10 .有两组三相半波控制整流电路，一组是共阴极接合法，一组是共阳极接合法，它们的触发角都是a，则共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲相同，例如都是a相，相位有多少差异？a :不是180。11 .三相半波控制整流电路、U2=100V、带电阻感应负载、R=5、l值极大，a=60时，要求：描绘ud、id、iVT1的波形计算PS、PS、PS、PS。解ud、id、iVT1的波形如下所示Ud、Id、IdT、IVT分别如下所示ud=1. 17 u2cosa=1. 17100 CO