《电力电子技术》浣喜明姚为正高等教育出版社课后答案docWord文档下载推荐.docx
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IA
(b)因为
了。
=200V
10Ω
=20A
KP100的电流额定值为100A,裕量达5倍,太大
(c)因为
=150V
1Ω
=150A
,大于额定值,所以不合理。
2.9图题1.9中实线部分表示流过晶闸管的电流波形,其最大值均为Im,试计算各图的电流平均值.电流有效值和波形系数。
1∫πI
T(AV
解:
图(a):
I)=2π0
sinωtd(ωt)Im
=π
1π2Im
IT=
2π∫0(Imsinωt)
IT
d(ωt)
=2
Kf=IT(AV)
=1.57
1
图(b):
IT(AV)=π
图题1.9
π
∫0Imsinωtd(ωt)
2
=πIm
1π2Im
π∫0(Imsinωt)
=2
1∫π
=1.11
3T=
∫π(Imsinωt)
3
(ωt)
=Im
+
38π
≈0.63Im
=1.26
1∫πIsinωtd(ωt)3
图(d):
IT(AV)=2π3
1π
=4πIm
213
2π∫π(Imsinωt)
66π
≈0.52Im
图(e):
IT(AV)=2π
=1.78
πIm
∫0Imd(ωt)=8
1∫4I
2d(ωt)Im
2π0
=22
=2.83
图(f):
2Id(ωt)
=4
,如不考虑安全裕量,问额定电流100A的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少?
(a)图波形系数为1.57,则有:
1.57×
IT(AV)=1.57×
100A,IT(AV)=100A(b)图波形系数为1.11,则有:
1.11×
100A,IT(AV)=141.4A(c)图波形系数为1.26,则有:
1.26×
100A,IT(AV)=124.6A(d)图波形系数为1.78,则有:
1.78×
100A,IT(AV)=88.2A(e)图波形系数为2.83,则有:
2.83×
100A,IT(AV)=55.5A(f)图波形系数为2,则有:
2×
100A,IT(AV)=78.5A
2.11某晶闸管型号规格为KP200-8D,试问型号规格代表什么意义?
KP代表普通型晶闸管,200代表其晶闸管的额定电流为200A,8代表晶闸管的正
反向峰值电压为800V,D代表通态平均压降为0.6V<
UT
<
0.7V。
2.12 如图题1.12所示,试画出负载Rd上的电压波形(不考虑管子的导通压降)。
其波形如下图所示:
图题1.12
2.13在图题1.13中,若要使用单次脉冲触发晶闸管T导通,门极触发信号(触发电压为
脉冲)的宽度最小应为多少微秒(设晶闸管的擎住电流IL=15mA)?
图题1.13
由题意可得晶闸管导通时的回路方程:
LdiA+Ri=E
dtA
可解得
iA=
E−t
(1−eτ)
R
L
,τ=R=1
要维维持持晶闸管导通,iA(t)必须在擎住电流IL以上,即
50(1−e−t)≥15×
10−3
0.5
t≥150×
10−6=150μs,所以脉冲宽度必须大于150µ
s。
2.14单相正弦交流电源,晶闸管和负载电阻串联如图题1.14所示,交流电源电压有效值为220V。
(1)考虑安全余量,应如何选取晶闸管的额定电压?
(2)若当电流的波形系数为Kf=2.22时,通过晶闸管的有效电流为100A,考虑晶闸管的安全余量,应如何选择晶闸管的额定电流?
(1)考虑安全余量,取实际工作电压的2倍
UT=220×
2≈622V,取600V
(2)因为Kf=2.22,取两倍的裕量,则:
2IT(AV)≥2.22×
100A
得:
IT(AV)=111(A)取100A。
图题1.14
2.15什么叫GTR的一次击穿?
什么叫GTR的二次击穿?
处于工作状态的GTR,当其集电极反偏电压UCE渐增大电压定额BUCEO时,集电极电流IC急剧增大(雪崩击穿),但此时集电极的电压基本保持不变,这叫一次击穿。
发生一次击穿时,如果继续增大UCE,又不限制IC,IC上升到临界值时,UCE突然下降,而IC继续增大(负载效应),这个现象称为二次击穿。
2.16怎样确定GTR的安全工作区SOA?
安全工作区是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。
按基极偏量分类可分为:
正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。
正偏工作区又叫开通工作区,它是基极正向偏量条件下由GTR的最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB,ICM,BUCEO四条限制线所围成的区域。
反偏安全工作区又称为GTR的关断安全工作区,它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE,电流IC限制界线所围成的区域。
2.17GTR对基极驱动电路的要求是什么?
要求如下:
(1)提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断,
(2)实现主电路与控制电路隔离,
(3)自动保护功能,以便在故障发生时快速自动切除驱动信号避免损坏GTR。
(4)电路尽可能简单,工作稳定可靠,抗干扰能力强。
2.18在大功率GTR组成的开关电路中为什么要加缓冲电路?
缓冲电路可以使GTR在开通中的集电极电流缓升,关断中的集电极电压缓升,避免du
了GTR同时承受高电压、大电流。
另一方面,缓冲电路也可以使GTR的集电极电压变化率dt
和集电极电流变化率dt得到有效值抑制,减小开关损耗和防止高压击穿和硅片局部过热熔通而损坏GTR。
2.19与GTR相比功率MOS管有何优缺点?
GTR是电流型器件,功率MOS是电压型器件,与GTR相比,功率MOS管的工作速度快,开关频率高,驱动功率小且驱动电路简单,无二次击穿问题,安全工作区宽,并且输入阻抗可达几十兆欧。
但功率MOS的缺点有:
电流容量低,承受反向电压小。
2.20从结构上讲,功率MOS管与VDMOS管有何区别?
功率MOS采用水平结构,器件的源极S,栅极G和漏极D均被置于硅片的一侧,通态电阻大,性能差,硅片利用率低。
VDMOS采用二次扩散形式的P形区的N+型区在硅片表面的结深之差来形成极短的、可精确控制的沟道长度(1~3μm)、制成垂直导电结构可以直接装漏极、电流容量大、集成度高。
2.21试说明VDMOS的安全工作区。
VDMOS的安全工作区分为:
(1)正向偏置安全工作区,由漏电源通态电阻限制线,
最大漏极电流限制线,最大功耗限制线,最大漏源电压限制线构成。
(2)开关安全工作区:
由最大峰值漏极电流ICM,最大漏源击穿电压BUDS最高结温IJM所决定。
(3)换向安全工作区:
di
换向速度dt一定时,由漏极正向电压UDS和二极管的正向电流的安全运行极限值IFM决定。
2.22试简述功率场效应管在应用中的注意事项。
(1)过电流保护,
(2)过电压保护,(3)过热保护,(4)防静电。
2.23与GTR、VDMOS相比,IGBT管有何特点?
IGBT的开关速度快,其开关时间是同容量GTR的1/10,IGBT电流容量大,是同容量MOS的10倍;
与VDMOS、GTR相比,IGBT的耐压可以做得很高,最大允许电压UCEM可达4500V,IGBT的最高允许结温TJM为150℃,而且IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小,具有良好的温度特性;
通态压降是同一耐压规格VDMOS的1/10,输入阻抗与MOS同。
2.24下表给出了1200V和不同等级电流容量IGBT管的栅极电阻推荐值。
试说明为什
么随着电流容量的增大,栅极电阻值相应减小?
电流容量/A
25
50
75
100
150
200
300
栅极电阻/Ω
15
12
8.2
5
3.3
对一定值的集电极电流,栅极电阻增大栅极电路的时间常数相应增大,关断时栅压
下降到关断门限电压的时间变长,于是IGBT的关断损耗增大。
因此,随着电流容量的增大,为了减小关断损耗,栅极电阻值相应减小。
应当注意的是,太小的栅极电阻会使关断过程电压变化加剧,在损耗允许的情况下,栅极电阻不使用宜太小。
2.25在SCR、GTR、IGBT、GTO、MOSFET、IGCT及MCT器件中,哪些器件可以承受反向电压?
哪些可以用作静态交流开关?
SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT都可承受反向电压。
SCR可以用作静态开关。
2.26试说明有关功率MOSFET驱动电路的特点。
功率MOSFET驱动电路的特点是:
输入阻抗高,所需驱动功率小,驱动电路简单,工作频率高。
2.27试述静电感应晶体管SIT的结构特点。
SIT采用垂直导电结构,沟道短而宽,适合于高电压,大电流的场合,其漏极电流
具有负温度系数,可避免因温度升高而引起的恶性循环漏极电流通路上不存在PN结,一般不会发生热不稳定性和二次击穿现象,其安全工作区范围较宽,关断它需加10V的负栅极偏压UGS,使其导通,可以加5~6V的正栅偏压+UGS,以降低器件的通态压降。
2.28试述静电感应晶闸管SITH的结构特点。
其结构在SIT的结构上再增加一个P+层形成了无胞结构。
SITH的电导调制作用使它比
SIT的通态电阻小,通态压降低,通态电流大,但因器件内有大量的存储电荷,其关断时间比SIT要慢,工作频率低。
2.29试述MOS控制晶闸管MCT的特点和使用范围。
MCT具有高电压,大电流,高载流密度,低通态压的特点,其通态压降只有GTR的1/3左右,硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的,另外,MCT可承受极高的di/dt和du/dt。
使得其保护电路简化,MCT的开关速度超过GTR,且开关损耗也小。
2.30缓冲电路的作用是什么?
关断缓冲与开通缓冲在电路形式上有何区别,各自的功能是什么?
缓冲电路的作用是抑制电力电子器件的内因过电压du/dt或者过电流di/dt,减少器件的开关损耗。
缓冲电路分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。
关断缓冲电路是对du/dt抑制的电路,用于抑制器件的关断过电压和换相过电压,抑制du/dt,减小关断损耗。
开通缓冲电路是对di/dt抑制的电路,用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt,减小器件的开通损
耗。
第4章思考题与习题
4.1什么是电压型和电流型逆变电路?
各有何特点?
按照逆变电路直流侧电源性质分类,直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电
路,直流侧为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。
电压型逆变电路的主要特点是:
(1)直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于电压源。
直流电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗。
(2)由于直流电压源的钳位作用,交流侧电压波形为矩形波,并且与负载阻抗角无关,而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同,其波形接近于三角波或正弦波。
(3)当交流侧为阻感性负载时,需提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用,为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了二极管。
(4)逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的,因直流电压无脉动,故功率的脉动是由交流电压来提供。
(5)当用于交—直—交变频器中,负载为电动机时,如果电动机工作在再生制动状态,就必须向交流电源反馈能量。
因直流侧电压方向不能改变,所以只能靠改变直流电流的方向来实现,这就需要给交—直整流桥再反并联一套逆变桥。
电流型逆变电路的主要特点是:
(1)直流侧串联有大电感,相当于电流源,直流电流基本无脉动,直流回路呈现高阻抗。
(2)因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用,故交流侧电流为矩形波,与负载性质无关,而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。
(3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用,因电流不能反向,故可控器件不必反并联二极管。
(4)当用于交—直—交变频器且负载为电动机时,若交—直变换为可控整流,则很方便地实现再生制动。
4.2电压型逆变电路中的反馈二极管的作用是什么?
在电压型逆变电路中,当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓
冲无功能量的作用。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
当输出交流电压与电流的极性相同时,电流经电路中的可控开关器件流通,而当输出电压与电流极性相反时,由反馈二极管提供电流通道。
4.3为什么在电流型逆变电路的可控器件上要串联二极管?
解:
由于全电路开关管采用自关断器件,其反向不能承受高电压,所以需要在各开关器
件支路串入二极管。
4.4三相桥式电压型逆变电路采用180°
导电方式,当其直流侧电压Ud=100V时。
(1)求输出相电压基波幅值和有效值
(2)求输出线电压基波幅值和有效值
(3)输出线电压中五欢谐波的有效值。
①输出相电压基波幅值
UAN1m=
2Ud
=0.637Ud
=0.637×
100=63.7V
输出相电压基波有效值
UAN1=
UAN1m
=0.45Ud
=0.45×
100=45V
②输出线电压基波幅值
UAB1m=
3Ud=2
3×
1001.1×
100=110V
输出线电压基波有效值
UABm=
6Ud=
6×
=78V
u=2
3Ud(1sin5ωt)
③输出线电压中5次谐波
输出线电压中5次谐波有效值
AB5
UAB5=
3Ud
2π
=15.59V
4.5全控型器件组成的电压型三相桥式逆变电路能否构成120o导电型?
为什么?
全控型器件组成的电压型三相桥式逆变电路能构成1200导电型。
1200
600
由于三相桥式逆变电路每个桥臂导通,同一相上下两臂的导通有间隔,各相
导通依次相差,且不存在上下直通的问题,所以其能构成导电型。
但当直流电压
一定时,其输出交流线电压有效值比180°
导电型低得多,直流电源电压利用率低。
4.6并联谐振型逆变电路利用负载电压进行换流,为了保证换流成功应满足什么条件?
为了保证电路可靠换流,必须在输出电压u0过零前tƒ时刻触发T2、T3,称tƒ为触发引
前时间。
为了安全起见,必须使tf
=tr+ktq
中k为大于1的安全系数,一般取为2~3。
4.7试说明PWM控制的工作原理。
将一个任意波电压分成N等份,并把该任意波曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替,且矩形脉冲的中点与相应任意波等份的中点重合,得到一系列脉冲列。
这就是PWM波形。
但在实际应用中,人们采用任意波与等到腰三角形相交的方法来确定各矩形脉冲的宽度。
PWM控制就是利用PWM脉冲对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替所需要的波形。
4.8单极性和双极性PWM调制有什么区别?
单极性PWM控制方式在调制信号Ur的正半个周期或负半个周期内,三角波载波是单极性输出的,所得的PWM波也是单极性范围内变化的。
而双极性PWM控制方式中,三角波载波始终是有正有负,而输出的PWM波是双极性的。
4.9试说明PWM控制的逆变电路有何优点?
PWM电路优点如下:
(1)可以得到所需波形的输出电压,满足负载需要;
(2)整流电路采用二极管整流,可获得较高的功率因数;
(3)只用一级可控的功率环节,电路结构简单;
(4)通过对输出脉冲的宽度控制就可以改变输出电压的大小,大大的加快了逆变器的响应速度。
4.10图题4.10所示的全桥逆变电路,如负载为RLC串联,R=10Ω,L=31.8mH,
C=159μF,逆变器频率f=100HZ,Ud=110V、求:
(1)基波电流的有效值;
(2)负载电流的谐波系数。
图题4.10
UO1=
(1)基波电压的有效值为:
=0.9Ud
=0.9×
110=99V
基波时的负载阻抗:
Z1=
R2+(ωL−1)2
ωC
=102+(2π×
100×
0.0318−
1)2
2π×
159×
10−6
=22.3Ω
基波电流的有效值为:
Io1
=Uo1
Z1
=99
22.3
=4.44A
(2)其主要的谐波是三次谐波与五次谐波,对应的负载阻抗分别为:
Z3=
R2+(3ωL−1)2
3ωC
=102+(6π×
6π×
=60.7Ω
Z5=
R2+(5ωL−1)2
5ωC
=102+(10π×
10π×
=100.4Ω
其电流谐波系数分别为:
k=1⋅4Ud
≈0.7
πZ3
≈0.42
5πZ5。
4.11在图4.10所示的单相全桥逆变电路中,直流电源Ud=300V,向R=5Ω,L=0.02H的阻感性负载供电。
若输出波形为近似方波,占空比D=0.8,工作频率为60HZ,试确定负载电流波形,并分析谐波含量。
计算时可略去换相的影响和逆变电路的损耗。
试求对应于
每种谐波的负载功率。
输出方波电压瞬时值为输出电压和电流波形为:
uo=
∞
∑
n=1,3,5,⋅⋅⋅
4Udsinnωtnπ
基波电压和各谐波电压的有效值为:
300=270V
UO3=
Uo1=90V
UO5=
,
Uo1=54V
UO7=
Uo1=38.6V
7
UO9=
Uo1=30V
9
基波和各谐波的负载阻抗为:
R2+(ωL)2=
52+(2π×
60×
0.02)2
=9.04Ω
R2+(3ωL)2=
R2+(5ωL)2=
52+(6π×
52+(10π×
=23.15Ω
=38.25Ω
Z7=
Z9=
R2+(7ωL)2=
R2+(9ωL)2=
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