电力电子技术课后习题全部答案doc.docx
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电力电子技术课后习题全部答案doc
电力电子技术
2-1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其具有耐受高压和大电流的能力?
答:
1.电力二极管大都采用垂直导电结构,使得硅片中通过电流的有效面积增大,显著提高了二极管的通流能力。
2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区,也称漂移区。
低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体,由于掺杂浓度低,低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。
2-2.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:
uAK>0且uGK>0。
2-3.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。
2-4图2-27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。
解:
a)
I
d1=
I
1=
b)
I
d2=
I2=
c)
I
d3=
I
3=
2-5上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐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IT(AV)=100A的晶闸管,允许的电流有效值I=157A,由上题计算结果知
?
a)
I
m1A,
I
m2
I
d2
c)
Im3=2I=314
I
d3=
2-6GTO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和普通晶阐管同为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和,由普通晶阐管的分析可得,是器件临界导通的条件。
两个等效晶体管
过饱和而导通;不能维持饱和导通而关断。
GTO之所以能够自行关断,而普通晶闸管不能,是因为GTO与普通晶闸管在设计和工艺方面
有以下几点不同:
l)GTO在设计时较大,这样晶体管V2控制灵敏,易于GTO关断;
2)GTO导通时的更接近于l,普通晶闸管,而GTO则为,GTO的饱和程度不深,接近于临界饱和,
这样为门极控制关断提供了有利条件;3)多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小,门极和阴极间的距离大为缩短,使得P2极区所谓的横向电阻很小,从而使从门极抽出较大的电流成为可能。
2-7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电流的能力?
答1.电力二极管大都采用垂直导电结构,使得硅片中通过电流的有效面积增大,显著提高了二极管的通流能力。
2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区,也称漂移区。
低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体,由于掺杂浓度低,低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。
2-8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比电力MOSFET在背面多一个P型层,IGBT开关速度小,开关损耗少具有耐脉冲电流冲
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。
IGBT驱动电路的特点是:
驱动电路具有较小的输出电阻,Ⅰ
GBT是电压驱动型器件,IGBT的
驱动多采用专用的混合集成驱动器。
电力MOSFET驱动电路的特点:
要求驱动电路具有较小的
输入电阻,驱动功率小且电路简单。
2-11目前常用的全控型电力电子器件有哪些?
答:
门极可关断晶闸管,电力晶闸管,电力场效应晶体管,绝缘栅双极晶体管。
3-1.单相半波可控整流电路对电感负载供电,
L=20mH,U2=100V,求当α=0
和60时
的负载电流Id,并画出ud与id
波形。
解:
α=0时,在电源电压u2的正半周期晶闸管导通时,负载电感
L储能,在晶闸管开始
导通时刻,负载电流为零。
在电源电压
u2
的负半周期,负载电感
L释放能量,晶闸管继续导通。
因此,在电源电压u2的一个周期里,以下方程均成立:
did
2U2sin
t
L
dt
考虑到初始条件:
当
t=0
时id=0可解方程得:
id
2U2
(1cost)
L
Id
1
2
2U2
(1
cost)d(
t)
0
2
L
=
2U
2
=(A)
L
ud与id的波形如下图:
u2
0
2
t
ud
0
2
t
id
02t
当α=60°时,在u2正半周期60~180
期间晶闸管导通使电感
L储能,电感L储藏的能
量在u2负半周期180~300期间释放,因此在
u2一个周期中60~300
期间以下微分方程成
立:
did
2U2sint
L
dt
考虑初始条件:
当
t=60
时id=0可解方程得:
id
2U
2(1
cost)
L
2
其平均值为Id
1
5
2U2
1
2U2
3
(
=(A)
cost)d(t)=
2
3
L2
2L
此时ud与id的波形如下图:
u2
+
+
0
t
ud
++
t
id
t
3-2.图3-10为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,问该变压器还有直流磁化问
题吗?
试说明:
①晶闸管承受的最大反向电压为22U2;②当负载是电阻或电感时,其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。
答:
具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,该变压器没有直流磁化的问题。
因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中,正负半周内上下绕组内电流的方向相反,波形对称,其一个周期内的平均电流为零,故不会有直流磁化的问题。
以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。
①以晶闸管VT为例。
当VT导通时,晶闸管VT通过VT与2个变压器二次绕组并联,所以
2
1
2
1
VT承受的最大电压为2
2U2。
2
②当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角
相同时,对于电阻负载:
(0~α)
期间无晶闸管导通,输出电压为
0;(α~π)期间,单相全波电路中VT1导通,单相全控桥电路
14
导通,输出电压均与电源电压
u2相等;
ππ+α
)
期间,均无晶闸管导通,输出电
中VT、VT
(
~
压为0;(π+α~2π)期间,单相全波电路中
VT2导通,单相全控桥电路中VT2、VT3导通,输
出电压等于
u2。
对于电感负载:
(α~π+α)期间,单相全波电路中
VT1导通,单相全控桥电路中
VT1、VT4
导通,输出电压均与电源电压
u2
相等;(π+α
~2π+α)期间,单相全波电路中
2
VT导通,
2
3
u2。
单相全控桥电路中VT、VT导通,输出波形等于
可见,两者的输出电压相同,加到同样的负载上时,则输出电流也相同。
3-3.单相桥式全控整流电路,U2=100V,负载中R=2Ω,L值极大,当α=30°时,要求:
①作出ud、id、和i2
的波形;②求整流输出平均电压
Ud、电流Id,变压器二次电流有效值
I2;
③考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。
解:
①ud、id、和i2的波形如下图:
u2
O
t
ud
O
t
id
Id
O
Id
t
i
2
O
t
②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=U2α=×
×
°=()
cos
100
cos30
V
Id=Ud/R=2=(A)
I2=Id=(A)
③晶闸管承受的最大反向电压为:
2U2=
100
2
=()
考虑安全裕量,晶闸管的额定电压为:
UN=(
V
)×=
()
2~3
283~424V
具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
2=()
流过晶闸管的电流有效值为:
IVT=Id∕
A
晶闸管的额定电流为:
IN=(~2)×∕=26~35(A)
具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
3-4.单相桥式半控整流电路,电阻性负载,画出整流二极管在一周内承受的电压波形。
解:
注意到二极管的特点:
承受电压为正即导通。
因此,二极管承受的电压不会出现正的部
分。
在电路中器件均不导通的阶段,交流电源电压由晶闸管平衡。
整流二极管在一周内承受的电压波形如下:
u2
02t
uVD2
0t
uVD4
0
t
3-5.单相桥式全控整流电路,U2=100V,负载中R=2Ω,L值极大,反电势E=60V,当=30
时,要求:
作出ud、id和i2的波形;
①求整流输出平均电压Ud、电流Id,变压器二次侧电流有效值I2;
②考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。
解:
①ud、id和i2的波形如下图:
u2
O
t
ud
O
t
i
Id
d
O
Id
Id
t
i2
O
t
②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=
U2
α=×
×
°=
Id
cos
100cos30(A)
=
Ud-E
R=-
60)/2
=
9(A)
(
)/
I2
I
d
=9(A)
=
③晶闸管承受的最大反向电压为:
2U2=
100
2=()
V
流过每个晶闸管的电流的有效值为:
IVT=Id∕
2
=()
A
故晶闸管的额定电压为:
UN=(2~3)×=283~424(V)
晶闸管的额定电流为:
IN=
~2)
×∕=
()
6~8
A
晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
3-6.晶闸管串联的单相半控桥(桥中VT1、VT2为晶闸管),电路如图2-11所示,U2=100V,
电阻电感负载,R=2Ω,L值很大,当
=60
时求流过器件电流的有效值,并作出
ud、id、iVT、
iD的波形。
解:
ud、id、iVT、iD的波形如下图:
u2
O
t
ud
O
t
id
Id
iVT1O
t
Id
iVD2
O
Id
t
O
t
负载电压的平均值为:
Ud
1
2U2sintd(
t)0.9U2
1cos(/3)=(V)
3
2
负载电流的平均值为:
Id=Ud∕R=∕2=(A)
流过晶闸管
1、
2的电流有效值为:
IVT=1
Id=()
VT
VT
3
A
流过二极管
3、
4的电流有效值为:
IVD=
2
Id=()
VD
VD
3
A
3-7.在三相半波整流电路中,如果
a相的触发脉冲消失,试绘出在电阻性负载和电感性负
载下整流电压ud的波形。
解:
假设
0,当负载为电阻时,ud的波形如下:
ua
ub
uc
ud
O
t
ua
ub
uc
ud
O
t
当负载为电感时,ud的波形如下:
uduaubuc
Ot
uduaubuc
Ot
3-8.三相半波整流电路,可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法,每段的电动势相同,其分段布置及其矢量如图2-60所示,此时线圈的绕组增加了一些,铜的用料约增加10%,问变压器铁心是否被直流磁化,为什么?
ABC
C
N
n
B
N
A
a
b
1
c
c2
1
1
c1
a2
b2
c2
n
a
a1
2
b1
b2
图2-60
图2-60变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图
答:
变压器铁心不会被直流磁化。
原因如下:
变压器二次绕组在一个周期内:
当a1c2对应的晶闸管导通时,a1的电流向下流,c2的电流向上流;当c1b2对应的晶闸管导通时,c1的电流向下流,b2的电流向上流;当b1a2对应的晶闸管导通时,b1的电流向下流,a2的电流向上流;就变压器的一次绕组而言,每一周期中有两段时间(各为120)由电流流过,流过的电流大小相等而方向相反,故一周期内流过的电流平均值为零,所以变压器铁心不会被直流磁化。
3-9.三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,a、b两相的自然换相点是同一点吗?
如果不是,它们在相位上差多少度?
答:
三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法,
a、b两相之间换相的的自然换相点不
是同一点。
它们在相位上相差180°。
3-10.有两组三相半波可控整流电路,一组是共阴极接法,一组是共阳极接法,如果它们
a
的触发角都是
,那末共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说,例如都是
相,在相位上差多少度?
答:
相差180°。
3-11.三相半波可控整流电路,U2=100V,带电阻电感负载,R=5Ω,L值极大,当=60时,要求:
画出ud、id和iVT1的波形;计算Ud、Id、IdT和IVT。
u2
=30°
ub
uc
ua
O
t
ud
ua
ub
uc
O
t
iVT
1
O
t
id
O
解:
①ud、id和iVT1的波形如下图:
=×
×
t
②Ud、Id、IdT和IVT分别如下Ud=
°=()
100cos60
V
Id=Ud∕R=∕5=(A)
IdVT=
Id∕=∕=()
3
3
A
IVT=Id∕
3=()
A
3-12.在三相桥式全控整流电路中,电阻负载,如果有一个晶闸管不能导通,此时的整流电
压ud波形如何?
如果有一个晶闸管被击穿而短路,其他晶闸管受什么影响?
答:
假设VT1不能导通,整流电压ud波形如下:
ud
O
t
假设VT1被击穿而短路,则当晶闸管
VT3或VT5导通时,将发生电源相间短路,使得
VT3、VT5
也可能分别被击穿。
3-13.三相桥式全控整流电路,U2=100V,带电阻电感负载,R=5Ω,L值极大,当
=60
时,要求:
①
画出ud、id和iVT1的波形;
②
计算Ud、Id、IdT和IVT。
解:
①ud、id和iVT1的波形如下:
=60°
ub
uc
u2
ua
t1
O
t
uab
ⅠⅡ
ⅢⅣ
Ⅴ
Ⅵ
uacubc
uba
uca
ucb
uabuac
ud
Ot
id
O
t
iVT
1
O
t
②Ud、Id、IdT和IVT分别如下
Ud=
=×100×cos60°=117(V)
Id=Ud∕R=∕=()
117
5
A
IDVT=Id∕=∕=(
)
3
3
A
IVT=Id∕3=∕3=(A)
3-14.单相全控桥,反电动势阻感负载,R=1Ω,L=∞,E=40V,U2=100V,LB=,当=60
时求Ud、Id与的数值,并画出整流电压ud的波形。
解:
考虑LB时,有:
Ud=α-Ud
Ud=2XBId∕π
Id=(Ud-E)∕R
解方程组得:
Ud=(πRα+2XBE)∕(πR+2XB)=(V)
Ud=(V)
Id=(A)
又∵
cos
-cos(
)=
2
I
X
2
d
B∕U
即得出
cos(60)=
换流重叠角
=°60°=°
最后,作出整流电压Ud的波形如下:
u2
Ot
ud
Ot
3-15.三相半波可控整流电路,反电动势阻感负载,U2=100V,R=1Ω,L=∞,LB=1mH,求
当=30时、E=50V时Ud、Id、的值并作出ud与iVT1和iVT2的波形。
解:
考虑LB时,有:
Ud=α-Ud
Ud=3XBId∕2π
Id=(Ud-E)∕R
解方程组得:
Ud=(πRα+3XBE)∕(2πR+3XB)=(V)
Ud=(
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