【高分复习笔记】王兆安《电力电子技术》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解.docx
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目录
内容简介
目 录
第1部分 复习笔记和课后习题详解
第1章 绪 论
1.1 复习笔记
1.2 课后习题详解
第2章 电力电子器件
2.1 复习笔记
2.2 课后习题详解
第3章 整流电路
3.1 复习笔记
3.2 课后习题详解
第4章 逆变电路
4.1 复习笔记
4.2 课后习题详解
第5章 直流-直流变流电路
5.1 复习笔记
5.2 课后习题详解
第6章 交流-交流变流电路
6.1 复习笔记
6.2 课后习题详解
第7章 PWM控制技术
7.1 复习笔记
7.2 课后习题详解
第8章 软开关技术
8.1 复习笔记
8.2 课后习题详解
第9章 电力电子器件应用的共性问题
9.1 复习笔记
9.2 课后习题详解
第10章 电力电子技术的应用
10.1 复习笔记
10.2 课后习题详解
第2部分 考研真题及详解
2013年电子科技大学814电力电子技术考研真题及详解
2012年电子科技大学814电力电子技术考研真题及详解
2011年电子科技大学814电力电子技术考研真题及详解
2010年电子科技大学814电力电子技术考研真题及详解
2009年电子科技大学814电力电子技术考研真题及详解
2008年电子科技大学814电力电子技术考研真题及详解
2007年电子科技大学439电力电子技术考研真题及详解
第1部分 复习笔记和课后习题详解
第1章 绪 论
1.1 复习笔记
一、什么是电力电子技术
1.定义
电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术,即应用于电力领域的电子技术。
2.与信息电子技术的关系
电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。
信息电子技术主要用于信息处理,电力电子技术主要用于电力变换。
3.电力电子技术两大分支
(1)电力电子器件的制造技术:
是电力电子技术的基础;
(2)变流技术:
是电力电子技术的核心。
4.电力变换
(1)电力变换的种类
表1-1 电力变换的种类
①交流变直流(AC—DC):
整流;
②直流变交流(DC—AC):
逆变;
③直流变直流(DC—DC):
直流斩波;
④交流变交流(AC—AC):
可以是电压或电力的变换,称为交流电力控制,也可以是频率或相数的变换。
(2)变流技术
进行电力变换的技术称为变流技术。
5.电力电子技术和电子学的关系
(1)二者都包括器件制造和电路部分;
(2)电子器件制造技术的理论基础(都是基于半导体理论)是一样的,均为半导体物理和微电子技术,工艺接近;
(3)理论基础均为电路理论;
(4)二者应用目的不同。
电力电子技术用于电力变换和控制,电子技术用于信息处理;
(5)在电力电子技术中器件工作在开关状态,信息电子技术中器件即可工作在放大状态,也可工作在开关状态。
图1-1 描述电力电子学的倒三角形
6.电力电子技术与控制理论的关系
(1)控制理论广泛应用于电力装置和系统中;
(2)电力电子技术是弱电控制强电的技术,控制理论是弱电控制强电的纽带;
(3)电力电子装置是自动化技术的基础元件和支撑技术。
7.电力电子学和电力学的关系
(1)电力电子技术广泛用于电气工程中。
(2)电气工程是一个一级学科,它包含了五个二级学科:
电力系统及其自动化、电机与电器、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动、电工理论与新技术。
(3)电力电子技术与其他几个二级学科关系密切,其他几个二级学科的发展都有赖于电力电子技术的发展。
图1-2 电气工程的双三角形描述
二、电力电子技术的发展史
图1-3 电力电子技术的发展史
电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为史纲。
1.发展概述
(1)1904年出现了电子管,能在真空中对电子流进行控制,开启电子技术用于电力领域的先河;
(2)20世纪30年代到50年代,水银整流器发展迅速并大量应用;
(3)1947年,晶体管诞生,引发电子技术革命;
(4)1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管,标志电力电子技术诞生;
(5)20世纪70年代后期,以门极可关断晶闸管、电力双极性晶体管和电力场效应管为代表的全控型器件迅速发展;
(6)20世纪80年代后期,以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表的复合型器件迅速发展;
(7)目前,除以电力电子集成电路(PIC)为代表的单片集成技术外,电力电子集成技术的发展的焦点是混合集成技术,即把不同的单个芯片封装在一起。
2.存在问题
电力电子集成电路功率较小,电压较低,面临着电压隔离(主电路为高压,控制电路为低压)、热隔离(主电路发热严重)、电磁干扰(开关器件通断高压大电流,与控制电路处于同一芯片)等几大难题。
三、电力电子技术的应用
1.一般工业
(1)电力传动
交直流电机、可控整流电源、直流斩波电源、变频装置、软启动装置等。
(2)电化学工业
(3)冶金工业
高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源。
2.交通运输
(1)电气机车中直流机车采用的整流装置,交流机车采用的变频装置
(2)直流斩波器
(3)列车中的各种辅助电源
(4)电动车的电机控制以及蓄电池充电
(5)船用电源
(6)航空电源
3.电力系统
(1)电力系统的现代化
有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。
(2)柔性交流输电技术(FACTS)
(3)无功补偿和谐波抑制
(4)配电系统
防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等,以进行电能质量控制,改善供电质量。
(5)变电所
操作系统提供可靠的交直流操作电源,蓄电池充电等都需要电力电子装置。
4.电子装置用电源
(1)通信设备中的程控交换机采用全控型器件的高频开关电源;
(2)大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源采用高频开关电源;
(3)大型计算机等场合的不间断电源(UPS)供电。
5.家用电器
(1)电力电子照明
(2)变频空调器
(3)电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部
6.其他
(1)航空航天
航天飞行器中的各种电子仪器电源,载人航天器;
(2)电力
新能源发电装置、储能装置、电能质量改善、电力系统联网;
(3)核聚变反应装置
1.2 课后习题详解
本章无课后习题。
第2章 电力电子器件
2.1 复习笔记
一、电力电子器件概述
1.电力电子器件的概念和特征
(1)概念
①主电路:
在电气设备或电力系统中,直接承担电能的变换或控制任务的电路。
②电力电子器件:
可直接用于处理电能的主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件。
(2)电力电子器件工作特性
①电力电子器件所能处理电功率的能力小至毫瓦级,大至兆瓦级,一般都远大于处理信息的电子器件;
②因为处理的电功率较大,为了减小本身的损耗,提高效率,电力电子器件一般都工作在开关状态;
③电力电子器件需要一定的中间电路(驱动电路)对信号进行适当的放大;
④电力电子器件自身的功率损耗通常远大于信息电子器件,因而考虑损耗问题。
a.导通时器件上有一定的通态压降,阻断时器件上有微小的断态漏电流流过,就形成了电力电子器件的通态损耗和断态损耗。
b.在电力电子器件由断态转为通态(开通过程)或者由通态转为断态(关断过程)的转换过程中产生的损耗,分别称为开通损耗和关断损耗,总称开关损耗。
通常来讲,电力电子器件的断态漏电流都极其微小,因而通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。
当器件的开关频率较高时,开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。
2.应用电力电子器件的系统组成
(1)组成
一般由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
(2)电气隔离
主电路中的电压和电流一般都较大,而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流,因此在主电路和控制电路连接的路径上,如驱动电路与主电路的连接处,或者驱动电路与控制信号的连接处,以及主电路与检测电路的连接处,一般需要进行电气隔离。
(3)保护电路
电力电子器件承受过电压和过电流的能力差,因此,在主电路和控制电路中附加一些保护电路。
3.电力电子器件的分类
(1)按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度
①半控型器件
a.概念:
通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。
b.举例:
主要是指晶闸管及其大部分派生器件。
c.开关控制:
由其在主电路中承受的电压和电流决定。
②全控型器件
a.概念:
通过控制信号既可以控制其导通,又可以控制其关断的电力电子器件。
b.举例:
绝缘栅双极晶体管和电力场效应晶体管。
c.开关控制:
可以由控制信号控制其关断。
③电力二极管
a.概念:
不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件,因此也就不需要驱动电路,又被称为不可控器件。
b.举例:
电力二极管。
c.开关控制:
由其在主电路中承受的电压和电流决定。
(2)按照驱动信号的性质
①电流驱动型:
通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。
②电压驱动型:
通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制,又被称为场控器件,或者场效应器件。
(3)按照驱动信号的波形(电力二极管除外)
①脉冲触发型:
通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制,一旦已进入导通或阻断状态且主电路条件不变的情况下,器件就能够维持其导通或阻断状态,而不必通过继续施加控制端信号来维持其状态。
②电平控制型:
通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态,或者关断并维持在阻断状态。
(4)按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况
①单极型器件(又称多子器件):
由一种载流子参与导电的器件。
②双极型器件(又称少子器件):
由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。
③复合型器件(又称混合型器件):
由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。
二、不可控器件—电力二极管
1.电力二极管简介
(1)组成
电力二极管由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。
(2)外形
电力二极管可以有螺栓形、平板形等多种封装。
图2-2 电力二极管的外形、基本结构和电气图形符号
2.电力二极管的工作原理
(1)PN结
①组成:
N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。
②扩散:
由于浓度差别,多数载流子向另一区移动,到对方区内成为少数载流子,在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。
③内电场或自建电场:
空间电荷建立的电场,其方向是阻止扩散运动的,另一方面又吸引对方区内的少子向本区运动,这就是所谓的漂移运动。
图2-3 PN结的形成
(2)PN结的单向导电性
①PN结正向导通:
当PN结外加正向电压(正向偏置),多子的扩散运动大于少子的漂移运动,形成扩散电流,在外电路上则形成自P区流入N区流出的电流,称为正向电流。
②PN结反向截止:
当PN结外加反向电压时(反向偏置),少子的漂移运动大于多子的扩散运动,形成漂移电流,在外电路上则形成自N区流人而从P区流出的电流,称为反向电流。
少子的浓度很小,在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定,被称为反向饱和电流,一般仅为微安数量级,因此反向偏置的PN结表现为高阻态,被称为反向截止状态。
(3)PN结反向击穿
①概念:
PN结具有一定的反向耐压能力,但当施加的反向电压过大时,反向电流将会急剧增大,破坏PN结反向偏置为截止的工作状态,这就叫反向击穿。
②分类:
按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿。
③反向击穿发生时,采取了措施将反向电流限制在一定范围,PN结仍可恢复。
否则会因过热而烧毁,称为热击穿。
(4)电力二极管与信息电子电路二极管区别
①电流流动方向
电力二极管大都是垂直导电结构,而信息电子电路中的二极管一般是横向导电结构。
垂直导电结构即电流在硅片内流动的总体方向与硅片表面垂直,使得硅片中通过电流的有效面积增大,可以显著提高二极管的通流能力。
图2-4 电力二极管内部结构断面示意图
②漂移区
电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区,又称漂移区。
③电导调制效应
当PN结上流过的正向电流较小时,二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻,其阻值较高且为常量,因而管压降随正向电流的上升而增加;当PN结上流过的正向电流较大时,其电阻率明显下降,即电导率大大增加。
④PN结电容效应
a.概念:
PN结中的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应,称为结电容,又称为微分电容。
b.分类:
按其产生机制和作用的差别分为势垒电容和扩散电容
势垒电容只在外加电压变化时才起作用,外加电压频率越高,势垒电容作用越明显,正向偏置时正向电压较低势垒电容为主;而扩散电容仅在正向偏置时起作用。
c.影响:
结电容影响工作频率,特别是高速开关状态下,可能使单向导电性变差。
3.电力二极管的基本特性
(1)静态特性
电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性。
①当电力二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压UTO),正向电流才开始明显增加,处于稳定导通状态。
与正向电流对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降。
②当电力二极管承受反向电压时,只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。
图2-5 电力二极管的伏安特性
(2)动态特性
①概念
因为结电容存在,电压-电流特性是随时间变化的,即为电力二极管的动态特性,主要指通态和断态之间转换过程的开关特性。
a.正向偏置转换为反向偏置b.零偏置转换为正向偏置
图2-6 电力二极管的动态过程波形
②由正向偏置转换为反向偏置
a.描述
电力二极管不能立即关断,而是要经过一段时间才能重新获得反向阻断的能力,进入截止状态。
在关断之前有较大反向电流出现,及明显反向电压过冲。
原因是载流子抽出需要时间;当PN结反向恢复时因引线电感而产生高电压。
b.相关概念
延迟时间:
电流下降时间:
反向恢复时间:
恢复特性软度或恢复系数:
。
③由零偏置转换为正向偏置
a.描述
电力二极管的正向压降先出现一个过冲,经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值。
这一动态过程时间被称为正向恢复时间。
b.出现电压过冲的原因
第一,电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存,在达到稳态导通之前管压降较大;
第二,正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。
电流上升率越大,越高。
4.电力二极管的主要参数
(1)正向平均电流
①概念:
指电力二极管长期运行时,在指定的管壳温度(简称壳温,用表示)和散热条件下,其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
②注意:
正向平均电流是按照电流发热效应来定义的,使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额。
正弦半波波形的平均值与有效值的关系为1:
1.57。
(2)正向压降
概念:
指电力二极管在指定温度下,流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。
(3)反向重复峰值电压
①概念:
指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。
②注意:
使用时应当留有两倍的裕量。
(4)最高工作结温
概念:
指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度,用表示。
(5)反向恢复时间
(6)浪涌电流
概念:
指电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。
5.电力二极管的主要类型
(1)普通二极管
①特点:
其反向恢复时间较长,一般在5μs以上。
正向电流定额和反向电压定额却可以达到很高,分别可达数千安和数千伏以上。
②应用:
多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中。
(2)快恢复二极管
①特点:
恢复过程很短,特别是反向恢复过程很短(一般在5μs以下)。
②快恢复外延二极管:
采用外延型PiN结构,其反向恢复时间更短(可低于50ns),正向压降也很低(0.9V左右)。
③分类:
快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级
前者反向恢复时间为数百纳秒或更长,后者则在100ns以下,甚至达到20~30ns。
(3)肖特基二极管
①概念:
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。
②优点:
属于多子器件,反向恢复时间很短(10~40ns),正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲;在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小,明显低于快恢复二极管,其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小,效率高。
③弱点:
当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求,因此多用于200V以下的低压场合;反向漏电流较大且对温度敏感,因此反向稳态损耗不能忽略,而且必须更严格地限制其工作温度。
三、半控型器件—晶闸管
1.晶闸管的结构与工作原理
(1)晶闸管结构
①从外形上来看,晶闸管也主要有螺栓形和平板形两种封装结构;
②引出阳极A、阴极K和门极(控制端)G三个连接端;
③内部是PNPN四层半导体结构,分别命名为四个区。
a.外形 b.结构 c.电气图形符号
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
(2)晶闸管工作原理
①公式
按照晶体管工作原理,可列出如下方程
整理得
②分析
a.晶体管的特性:
在低发射极电流下α是很小的,当发射极电流建立起来之后,α迅速增大。
b.在晶体管阻断状态下,,很小,此时流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。
c.如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致趋近于1,流过晶闸管的电流(阳极电流)将趋近于无穷大,从而实现器件饱和导通。
d.由于外电路负载的限制,维持有限值。
(3)导通过程
外电路向门极注入电流→产生集电极电流→放大成集电极电流→进一步增大的基极电流→和进入完全饱和状态,晶闸管导通。
(4)其他触发导通情况
①阳极电压升高造成雪崩效应
②阳极电压上升率过高
③结温较高
④光触发
注意:
除光触发由于可以保证控制电路与主电路之间良好绝缘而应用于高压电力设备中外,其他都因不易控制难以应用于实践。
a.双晶体管模型 b.工作原理
图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
2.晶闸管的基本特性
(1)静态特性
①正常工作特性
a.当晶闸管承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通;
b.当晶闸管承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通;
c.晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用,不论门极触发电流是否还存在,晶闸管都保持导通;
d.若要使已导通的晶闸管关断,只能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。
②晶闸管的伏安特性—正向特性
a.当时,如果在器件两端施加正向电压,则晶闸管处于正向阻断状态,只有很小的正向漏电流流过;
b.如果正向电压超过临界极限即正向转折电压,漏电流急剧增大,器件开通;
c.随着门极电流幅值的增大,正向转折电压降低,晶闸管本身的压降很小;
d.如果门极电流为零,并且阳极电流降至接近于零的某一数值以下,则晶闸管又回到正向阻断状态。
③晶闸管的伏安特性—反向特性
a.其伏安特性类似二极管的反向特性;
b.晶闸管处于反向阻断状态时,只有极小的反向漏电流通过;
c.当反向电压超过一定限度,到反向击穿电压后,外电路如无限制措施,则反向漏电流急剧增大,导致晶闸管发热损坏。
图2-9 晶闸管的伏安特性(IG2>IG1>IG)
(2)动态特性
①开通过程
a.由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间和外电路电感的限制,晶闸管受到触发后,其阳极电流的增长不是瞬时的;
b.延迟时间td:
从门极电流阶跃时刻开始到阳极电流上升到稳态值的10%,随门极电流的增大而减小;
c.上升时间tr:
阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间,反映晶闸管本身特性,且受到外电路电感影响;
d.开通时间tgt:
为延迟时间与上升时间和。
图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形
②关断过程
a.由于外电路电感的存在,原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时,其阳极电流的衰减有过渡过程的。
b.反向阻断恢复时间:
正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间;
c.正向阻断恢复时间:
晶闸管恢复正向电压阻断能力的时间;
d.电路换向关断时间:
反向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间的和;
e.在正向阻断恢复时间内,如果重新对晶闸管施加正向电压,晶闸管会重新正向导通,而不是受门极电流控制而导通。
3.晶闸管的主要参数
(1)电压定额
①断态重复峰值电压UDRM
a.在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的正向峰值电压;
b.规定断态重复峰值电压为断态不重复峰值电压(即断态最大瞬时电压)的90%;
c.断态不重复峰值电压应低于正向转折电压。
②反向重复峰值电压
a.在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的反向峰值电压。
b.规定反向重复峰值电压为反向不重复峰值电压(即反向最大瞬态电压)的90%,反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。
③通态(峰值)电压
a.晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压;
b.取晶闸管的和中较小的标值作为该器件的额定电压。
(2)电流定额
①通态平均电流
a.晶闸管在环境温度为40℃和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值;
b.按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的;
c.取其通态平均电流为按此原则所得计算结果的1.5~2倍。
②维持电流
a.维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流;
b.结温越高,则越小。
③擎住电流
a.晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后,能维持导通所需的最小电流;
b.约为的2~4倍。
④浪涌电流
由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。
(3)动态参数
①断态电压临界上升率du/dt
a.在额定结温和门极开路的情况下,不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率;
b.如果电压上升率过大,使充电电流足够大,就会使晶闸管误导通。
②通态电流临界上升率di/dt
a.在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率;
b.如果电流上升太快,可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
4.晶闸管的派生器件
(1)快速晶闸管
①分类
常规快速晶闸管和工作为更高频率的高频晶闸管。
②特点
a.快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt的耐量都有了明显改善;
b.快速晶闸管关断时间为数十微秒,高频晶闸管为10μs左右;
c.电压和电流定额都不易做高;
d.由于工作频率较高,选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。
(2)双向晶闸管
①组成
一对反并联联结的普通晶闸管的集成,有两个主电极和,一个门极G。
②特点
a.门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通,在第Ⅰ和第Ⅲ象限有对称的伏安特性;
b.通常用在交流电路中,用有效值来表示其额定电流值。
a.电气图形符号 b.伏安特性
图2-11 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性
(3)逆导晶闸管
①组成
晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。
②特点
a.不具有承受反向电压的能力,一旦承受反向电压即开通;
b.正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点,可用于不需要阻断反向电压的电路中。
a.电气图形符号 b.伏安特性
图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性
(4)光控晶闸管
①利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。
②采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘,避免电磁干扰
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