电力电子技术复习习题解析华北电力大学 下载本文

Id?12???3?(Imsin?t)d(?t)?2Im22???3?1(1?cos2?t)d(?t)?21?3(?)?0.4485Im 2?38额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A,则Im?平均值为:Idd?0.2387Im?83.56(A)。 1(e)Ide?2??157 ?350.06(A);

0.4485?40Imd(?t)??1?Im?0.125Im 2?41Ie?2??40Im2d(?t)?0.3536Im

额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A,则Im?平均值为:Ide?0.125Im?55.5(A)。 (f)Idf?If?157 ?444.00(A);

0.35361???40Imd(?t)??401?Im?0.25Im ?4??1Im2d(?t)?0.5Im

额定电流100A的晶闸管允许流过的电流有效值为157A,则:Im?平均值为: Idf?0.25?314?78.5(A)

157 ?314(A);

0.54、为什么晶闸管不能用门极负脉冲信号关断阳极电流,而GTO却可以?

答:GTO和普通晶闸管同为PNPN结构,由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2分别

具有共基极电流增益α1和α2,由普通晶闸管得分析可得,α1+α2=1是器件临界导通的条件。α1+α2>1两个晶体管饱和导通;α1+α2<1不能维持饱和导通而关断。 GTO能关断,而普通晶闸管不能是因为GTO在结构和工艺上有以下几点不同:

1) 多元集成结构使每个GTO元的阴极面积很小,门极和阴极的距离缩短,从而使从

门极抽出较大的电流成为可能。

2) GTO导通时α1+α2更接近1,晶闸管α1+α2>1.15,而GTO则为α1+α2≈1.05,饱

和程度不深,在门极控制下易于退出饱和。

3) GTO在设计时,α2较大,晶体管V2控制灵敏,而α1很小,这样晶体管V1的集

电极电流不大,易于从门极将电流抽出,从而使GTO关断。

5、GTO与GTR同为电流控制器件,前者的触发信号与后者的驱动信号有哪些异同? 答:1)GTO与GTR驱动信号的相同之处在于:

GTO与GTR都是电流型驱动型器件,其开通和关断都要求有相应的触发脉冲,要求其触发电流脉冲的上升沿陡且实行强触发。 2)GTO与GTR驱动信号的区别在于:

GTR要求在导通期间一直提供门极触发电流信号,而GTO当器件导通后可以去掉门极触发电流信号;GTO的电流增益(尤其是关断电流增益很小)小于GTR,无论是开通还是关断都要求触发电流有足够的幅值和陡度,其对触发电流信号(尤其是关断门极负脉冲电流信号)的要求比GTR高。

6、试比较GTR、GTO、MOSFET、IGBT之间的差异和各自的优缺点。

答: GTR、GTO、MOSFET、IGBT之间的差异及各自的优缺点如下表所示: 器 件 GTR 优 点 耐压高,电流大,开关特性好,通流能力强,饱和压降低 电压、电流容量很大,适用于大功率场合,具有电导调制效应,其通流能力很强 开关速度快,开关损耗小,工作频率高,门极输入阻抗高,热稳定性好,需要的驱动功率小,驱动电路简单,没有2次击穿问题 开关速度高,开关损耗小,通态压降低,电压、电流容量较高。门极输入阻抗高,驱动功率小,驱动电路简单 缺 点 开关速度低,电流驱动型需要驱动功率大,驱动电路复杂,存在2次击穿问题 电流关断增益很小,关断时门极负脉冲电流大,开关速度低,驱动功率很大,驱动电路复杂,开关频率低 电流容量小,耐压低,通态损耗较大,一般适合于高频小功率场合 GTO MOSFET IGBT 开关速度不及电力MOSFET,电压、电流容量不及GTO。

四、补充习题

1.试说明什么是电导调制效应及其作用。

答:当PN结通过正向大电流时,大量空穴被注入基区(通常是N型材料),基区的空穴浓

度(少子)大幅度增加,这些载流子来不及和基区的电子中和就到达负极。为了维持基区半导体的电中性,基区的多子(电子)浓度也要相应大幅度增加。这就意味着,在大注入的条件下原始基片的电阻率实际上大大地下降了,也就是电导率大大增加了。这种现象被称为基区的电导调制效应。

电导调制效应使半导体器件的通态压降降低,通态损耗下降;但是会带来反向恢复问题,使关断时间延长,相应也增加了开关损耗。

2. 在图1-4所示电路中,若使用一次脉冲触发,试问为保证晶闸管充分导通,触发脉冲宽度至少要多宽?图中,E=50V;L=0.5H;R=0.5?; IL=50mA(擎住电流)。

UGSVTERLtiG

t

图1-4

解:晶闸管可靠导通的条件是:必须保证当阳极电流上升到大于擎住电流之后才能撤掉触

发脉冲。当晶闸管导通时有下式成立:

E?Ldi?Ri dtR?tE解之得: i?(1?eL)

R可靠导通条件为: i?IL?0.05

0.5R?t?tE50L解得: 0.05?(1?e)?(1?e0.5)

R0.5即 t?ln100?5e?4s

100?0.05 t?500us

3. 请画出VDMOS(或IGBT)管栅极电流波形,并说明电流峰值和栅极电阻有何关系以及栅极电阻的作用。

答:VDMOSFET和IGBT都是电压驱动型器件,由于存在门极电容,其门极电流的波形类

似于通过门极电阻向门极电容的充电过程,其峰值电流为Ip=UGE/RG。栅极电阻的大小对器件的静态和动态开关特性有很大的影响:RG增加,则开通时间、关断时间、开

通损耗关断损耗增加;

dUCE和位移电流减小;触发电路振荡抑止能力强,反之则作用dt相反。因此在损耗容许的条件下,RG可选大些以保证器件的安全,具体选择要根据实际电路选。典型的应用参数为:+UGE=15V,-UGE=-(5~10)V,RG=3~50欧。

UGStiGt

4. 限制功率MOSFET应用的主要原因是什么?实际使用时如何提高MOSFET的功率容量?

答:限制功率MOSFET应用的主要原因是其电压、电流容量难以做大。因为MOSFET是单

极性器件,所以通态损耗较大,其通态电阻为RDSonU2.5(公式应该是正比于,用等?S号不合适)。高压大电流时,当额定电压比较高且电流大时,其通态电阻(对应损耗)达到令人难以接受的程度(目前的市场水平最大为IXYS公司的器件1200V/38A)。

实际使用时,由于MOSFET具有正的温度系数,可以方便地采用多管并联的方法来提高其功率容量。

第二章 相控整流电路

一、本章主要内容及重点与难点

【主要内容】

本章主要讨论各种相控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算方法。在学习过程中,主要应掌握以下内容:

1. 单相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算; 2. 单相桥式半控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算; 3. 三相半波可控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算; 4. 三相桥式全控整流电路的工作原理、波形分析及数值计算; 5. 变压器漏感对整流电路的影响;

6. 有源逆变的概念、有源逆变产生的条件及逆变失败; 7. 电容滤波的不可控整流电路分析; 8. 整流电路的谐波与无功功率及其影响。 【重点与难点】

本章重点在于分析不同电路结构、不同负载形式下的相控整流电路的工作原理与波形,主要包括以下内容:

1. 理解“可控”的概念,在分析问题时充分考虑晶闸管的开关规律;

2. 注意负载性质不同对整流电路中晶闸管开关的影响,尤其是大电感的影响; 3. 不同电路结构、不同负载形式相控整流电路中晶闸管的移相范围、导通时间; 4. 负载电压、负载电流、晶闸管所承受的电压、、晶闸管电流、变压器二次侧电流波

形分析;

5. 有源逆变的概念及其实现的条件; 6. 如何分析有源逆变电路;

7. 变压器漏感的存在对整流电路和有源逆变电路的影响。

本章难点在于不同电路结构、不同负载形式相控整流电路的波形分析。

二、典型习题解析

例2-1 如图2-1所示的单相桥式半控整流电路中续流二极管VD的作用有( )。 A 减轻晶闸管的负担 C 防止出现失控现象 B 提高整流电压的平均值 D 起电压钳位作用

VT1VT2Tu2bi2idaudVDLRVD3VD4

图2-1

【答案】A、B、C

【解析】 本题主要考察对半控整流电路的认识,半控整流电路在正常工作时与全控整流电路相同,但是在阻感负载下,如果一只晶闸管的脉冲丢失,可能会造成一只晶闸管导通,两只二极管轮流导通的“失控”现象,这主要是由于二极管是不可控器件,不具备正向承压能力造成的。因此通常采用在负载两端反并联续流二极管的方法。同时,该续流二极管在电源