电力电子变流技术全本书课后答案.docx
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电力电子变流技术全本书课后答案
第一章电力半导体器件
习题与思考题解
1-1•晶闸管导通的条件是什么?
怎样使晶闸管由导通变为关断?
解:
晶闸管导通的条件是:
阳极承受正向电压,处于阻断状态的晶闸管,只有在
门极加正向触发电压,才能使其导通。
门极所加正向触发脉冲的最小宽度,应能使阳极电流
达到维持通态所需要的最小阳极电流,即擎住电流IL以上。
导通后的晶闸管管压降很小。
使导通了的晶闸管关断的条件是:
使流过晶闸管的电流减小至某个小的数值一维持电流
Ih以下。
其方法有二:
1)减小正向阳极电压至某一最小值以下,或加反向阳极电压;
2)增加负载回路中的电阻。
1-2.型号为KP100-3的晶闸管,维持电流
lH=4mA,使用在题1-2图中的电路中是否
合理?
为什么(不考虑电压、电流裕量)?
解:
根据机械工业部标准JB1144-75规定,
KP型为普通闸管,KP100-3的晶闸管,其
中100是指允许流过晶闸管的额定通态平均电流为
100A,3表示额定电压为300V。
流为
对于图(a),假若晶闸管V
被触发开通,由于电源为直流电源,则晶闸管流过的最大电
100
|v5001032mA
因为Iv Il为擎住电流,通常Il=(2~4)Ih。 可见,晶闸管流过的最大 电流远小于擎住电流,所以,图 (a)不合理。 对于图(b),电源为交流220V,当a=0。 时,最大输出平均电压 Ud0.45U2=0.45220=99(V) 平均电流 仏=99=9.9(A) R10 波形系数 Iv K厂厂 1VAR 1.57 而KP100-3允许流过的电流有效值为Ive=1.57X100=157(A),IwIve,所以,电流指 标合理。 但电路中晶闸管V可能承受的最大正反向峰值电压为 UFm二uRm八2U=2220: 311(V)>300(V) 所以,图(b)不满足电压指标,不合理。 对于图(c),电源为直流电源,V触发导通后,流过V的最大电流为lv=150/1=150(A),即为平均值,亦是有效值。 而Ive=150A,lv=150(A)<157(A),即卩lv<|ve,所以电流指 标合理。 同时,晶闸管承受的正向峰值电压为150V,小于300V,电压指标合理。 所以图(c) 合理。 1-3.在题图1-3电路中,E=50V,R=0.5Q,L=0.5H,晶闸管擎住电流为15mA。 要 使晶闸管导通,门极触发电流脉冲宽度至少应为多少? 解: 晶闸管导通后,主回路电压方程为 did L亠、Rid=E dt 主电路电流id按下式由零上升 Ef_tR/L\ id1-e R 晶闸管要维持导通,id必须上升达到擎住电流值以上,在此期间,门极脉冲应继续维持, 将ld=15mA代入,得 1-e4-1510’ 0.5 取e丄—t, t>150s。 所以,门极触发电流脉冲宽度至少应大于150卩s。 1-4.单相正弦交流电源,交流电源电压有效值为220V。 晶闸管和负载电阻串联连接。 试计算晶闸管实际承受的最大正反向电压。 若考虑晶闸管的安全裕量,其额定电压应如何选取? 解: 该电路运行可能出现施加于晶闸管上最大正反向峰值电压为 ..2U=2220: -310(V) 若考虑晶闸管的安全裕量,通常选择额定电压为正常工作峰值电压的2—3倍。 2X310 =620(V), 3X310=930(V),则选择额定电压为700V〜1000V的晶闸管。 1-5.若题1-4中晶闸管的通态平均电流为100A,考虑晶闸管的安全裕量,试分别计算 导电角为180°和90°时,电路允许的峰值电流各是多少? 解: 在不考虑安全裕量时,选择晶闸管的原则是: 使实际运行管子电流的有效值IV1 等于定义管子额定通态平均电流时的电流有效值Ive,即两种情况下,管芯的结温相同并小 于或等于额定结温。 当导通角0=180°时, IV1=讥1“弘at丫d^t)=导 则有lm/2=1.571VEAR 所以,晶闸管允许的峰值电流为 Im=2X1.57X100=314(A) 当导通角0=90°时, lmsinotfd®t)= 2J2 则有 lm 2“2 -「571VEAR 所以,晶闸管允许的峰值电流为 |m=2U0汉1.57汉100444(A) 考虑取安全裕量数为2时,则当导通角0=180°时,电路允许的峰值电流为 lm1=314/2=157A, 当导通角0=90°时,电路允许的峰值电流为 Im2=444/2=222(A). 1-6.题1-6图中阴影部分表示晶闸管导电区间。 各波形的电流最大值均为 波形电流平均值|dl、|d2、|d3、|d4、|d5,电流有效值I1>I2、|3、|4、|5和它们的波形系数Kf1、 Kf2、、K4、Kf5・ JI 解: Id1- [Im.Sincotd(cot)= 2~0 兀"2I 0ImSin'td.t二訂0.51m d2 12 I3 d4 d5 Kfe 上 Id1 -Im.Sintdt二旦Im0.241m 34 1二2 2二3ImSintd0.46Im =竺坐: 、1.92 0.23Im 2— 二Im.Sin,td,t=2Id2 ^Im: 0.48Im 2二 ..2-ImSint2dt-21 .2-3 2: 0.65Im f3 d3 0.65I 1.35 02Im.dt JT d4 .dt二 0.48I 12丿 =0.51 二0.25I =0.1251 14I2dt 04Imdt Im : '0.35Im 2“2 Im_ : .2.83 Id4 Im 1-7•题1-6中如果不考虑安全裕量,问100A晶闸管能送出的电流平均值Id1、Id2、I d1、 d2、 d3、 d4、 Id4、Id5各是多少? 这时相应的电流最大值Im1、|m2|m3Im4、Im5又是多少? 解: 额定通态平均电流Ivear为100A的晶闸管允许通过电流的有效值为 IVE=〔VEARkf凶=WO“7=157A 利用上题结果,图⑻ I1二 Im1 =IVE=157A Im=314(A) di 图(b) I2二°.46I=Ive=157A Im JI 空=100A 3.14 Im2=341(A) 图(c) Id2 =0.24— =81.8A =0.65ImiVE=157A Im3=241(A) 图(d) Id3 =0.481m =115.9A =0.5lm=Ive=157A Im4=314(A) 图(e) Id4 =0.255 -78.5A 1 ImivE=157A 2、2 Im=444(A) d5 444 8 =55.5A 1-8•晶闸管的额定电流是怎样定义的? 有效值和平均值之间有何关系? 解: 晶闸管的额定电流即指其额定通态平均电流IVEAR.它是在规定的条件下,晶闸管允 许连续通过工频正弦半波电流的最大平均值。 如教材图1-8所示。 这些条件是: 环境温度+40C,冷却条件按规定,单相半波整流电路为电阻负载,导 通角不小于170C,晶闸管结温不超过额定值。 额定通态平均电流IveaR的电流等级如教材表1—2所示。 通常50A以下的管子分为1、 5、10、20、30、50A等级,100—1000A的管子分为100、200、300、400、500、600、800、1000A等级。 额定通态平均电流IVEAR与在同一定义条件下的有效值IvE具有如下关系: 1VE=Kfe」VEAR 其中, Kfe Ive IVEAR JI 1.57 2 为定义条件下的波形系数。 1-9•导通角0不同,电流的波形不一样,如何来选择晶闸管的电流容量? 解: 导通角0不同,电流的波形不一样,因而波形系数亦不相同,0角愈小,波形 系数愈大。 晶闸管电流的有效值、平均值IV1AR与波形系数K1具有如下关系: IV1=Kf1IV1AR 具有相同平均值而波形不同的电流,因波形不同,其有效值是不相同的。 流经同一晶闸 管发热情况也不相同,因为决定发热的因素是电流的有效值,管芯发热效应是和电流的有效 值大小有关。 因此,选择晶闸管额定电流参数的原则是: 使电路各种实际运行情况下(特别是最不利 的情况)管芯的结温小于或等于额定结温。 这样,就能保证晶闸管在实际运行工作时,不致 IV1,等于定义管子额定通 于因电流过载而损坏。 上述这一原则可归结为: 使实际运行管子电流波形的有效值态平均电流Ivear时的电流有效值Ive,即 则晶闸管额定电流 1V1^VE=Kfe」vEAR 1VEAR 人1_人1 Kf"一157 1-10•晶闸管导通后,门极改加适当大小的反向电压,会发生什么情况? 解: 晶闸管承受正向阳极电压,并已导通的情况下,门极就失去了控制作用。 因此,晶 闸管导通后,门极改加适当大小的反向电压,晶闸管将保持导通状态不变。 1-11•门极断路时,晶闸管承受正向阳极电压它会导通吗? 若真的导通,是什么情况? 解: 门极断路时,晶闸管承受正向阳极电压,有两种情况可造成晶闸管的非正常导通。 一是阳极电压Ua过高,达到或超过Ig=0时的转折电压Ubo时,使漏电流急剧增加;二是Ua的电压上升率duA/dt太快。 这两种因素造成的最终结果都是使从N1区通过反向偏置的J2结向P2区(门极区)注入 了足够数量的漏电流(空穴流),充当了二等效三极管电路中的基极电流冷2,它相当于从 门极提供的Ig的作用,使其二等效三极管的a1、a2极快上升至a1+a2~1,即1-(a1+ a2)~0,进而使阳极电流Ia大大增加,并只受外电路电阻的限制,晶闸管进入导通状态。 这两种不加门极触发控制信号使晶闸管从阻断状态转入导通状态的情况是非正常工作 状态,在实际使用中是不允许的,因为发生此类情况常造成器件的损坏。 1-12•晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点是什么? 解: 晶闸管的一些派生器件的主要功能和特点如下: (1).快速晶闸管 快速晶闸管的开关时间短,动态特性比普通晶闸管好,快速晶闸管一般分为两种,一种 是主要是关断时间短,另一种是di/dt是耐受量高。 主要用于斩波与高频逆变电路。 (2)。 双向晶闸管 双向晶闸管是一种五层结构的三端器件,具有四种触发方式,分别为I+、1-、川+、川 =,其中I+、I-触发灵敏度较高,川_触发灵敏度稍低,较为常用,而川+触发灵敏度最低, 般不用,使用不当会损坏晶闸管。 双向晶闸管主要用于交流电路,例如移相调压控制、零 电压开关和静态开关等。 由于其内部工艺结构关系,目前器件的额定电压和额定电流与普通 晶闸管相比较还较低,重施加du/dt的能力也较差。 (3)。 逆导晶闸管 逆导晶闸管是将逆阻型晶闸管和大功率二极管集成在一个管芯上,与普通晶闸管相比, 具有正向压降小、关断时间短、温度特性较好、额定结温高等优点。 同时,消除了晶闸管与 二极管之间的连线电感,减小了换流时间,使晶闸管承受反向偏压的时间增长,提高了换流 能力。 而且减少了装置的元件数目,缩小了体积,提高了经济性能。 主要适用于逆变电路和 斩波电路。 (4).可关断晶闸管(GTO) 可关断晶闸管GTO(GateTurn-offThyristor)既可用门极正脉冲信号控制其导 通,又可用门极负脉冲信号控制其关断的逆阻型三端器件。 与普通晶闸管相比,GTO快速 性好,工作频率高,控制方便,其最高耐压容量目前稍逊于普通晶闸管。 GTO与普通晶闸管的关断机理不同,有两个重要的特征参数需要特别注意,分别为最 大可关断电流IatO和电流关断增益3off。 其定义分别为 最大可关断电流Iato: 表征用门极负脉冲控制信号可关断的最大阳极电流,它是用来表征GTO容量大小的参数。 电流关断增益3off: 电流关断增益的定义为阳极电流IA与使其关断所需的最小门极电 流IGmin的比值,即 Ia 通常GTO的3off只有5左右,但是,GTO的导通或关断只需一个窄脉冲电流即可,它需要的是瞬时功率,尽管关断时需要较大的负门极电流,但平均功率较小。 因此,GTO的平均激励功率,比相同容量的大功率晶体管小。 1-13•何谓功率晶体管的开关特性? 用图描述它的开关过程。 功率晶体管的开关特性是描述功率晶体管在开关过程中的开关时间、电流电压、开关损 耗等参数的性能。 功率晶体管GTR的开关时间可用开通时间ton和关断时间toff来表示,即 ton=td+tr toff=ts+tf 其中,td为延迟时间,tr为上升时间,ts为存值得时间,tf为下降时间。 开关损耗发生在器件的开关过程中,瞬态功率损耗为 .p=icue 维持的时间长了,就有可能导致管子产生二次击穿。 总开关损耗与开关频率(开关次数)有 关,开关频率愈高,总开关损耗愈大。 各种参数的开关性能描述图参阅教材P18~19中的图1-15和图1-16。 1-14.描述功率晶体管的二次击穿特性? 解: 二次击穿现象在发射结正偏压、零偏压和反偏压都可能发生,其特性曲线参阅 教材P19中的图1—17。 现以零偏压曲线OEBG来说明二次击穿现象的发生过程。 当Uce增大到Usb,即达到 E点时,集电极电压达到通常所说的击穿电压,集电结发生雪崩击穿,这就是一次击穿。 由于一次击穿效应,晶体管的电流迅速上升到E点,达到Isb,即达到了二次击穿触发 功率Psb,进入了二次击穿区。 但并不立即产生二次击穿,而需要一个触发时间来积累触发能量临界值,一旦达到这个临界值,管压突然从B点Usb减小到G点的低电压区(10〜15V),同时电流急剧增大。 如果没有适当的保护措施,电流将继续沿GH曲线增大到H点,造成管 子的永久性损坏。 这种从高电压小电流向低电压大电流跃变的现象,称为晶体管的二次击穿。 二次击穿触发时间t,对于不同类型的二次击穿,时间的长短相差很大,短的几乎是瞬 时的,晶体管的状态不能稳定在B〜G区域内,而且G点是不可逆的,即使电路的保护措施 可使晶体管回到触发前的状态,但二次击穿已在管子内部留下了损害伤痕,性能变坏,重复 几次仍然使管子永久性失效。 1-5.为什么功率晶体管在开关瞬变过程中容易被击穿? 可采取什么措施防止? 解: 在电路开关转换瞬变过程中,电路将产生过高的电压或电流,有可能达到二次击穿 触发功率Psb=Isb.Usb,进而达到二次击穿临界触发能量Esb=PsbT=IsbUsb T,产生二次击穿。 采用错开关期间瞬变电流和电压最大值相位的缓冲吸收保护电路,减小开关期间的瞬时 功率,是破坏二次击穿产生的条件,抑制二次击穿的有效措施。 1-16.功率晶体管反偏安全工作区很大,如何应用? 或者在若关断 解: 在实际应用中,功率晶体管基极回路采用足够的反向偏置电压, 功率晶体管时,驱动电路产生负脉冲关断电压,使晶闸管工作在反向偏置工作区,来提高管子的电压承受能力。 1-17.绝缘栅双极型功率晶体管(IGBT)有何突出的优点? 解: 绝缘栅双极型功率晶体管(IGBT)是兼备功率场效应管MOSFET的栅极电压激励、 高速开关特性和GTR的大电流低导通电阻特性于一体的复合型器件。 1-18.MOS栅控晶闸管(MCT)有何突出的优点? 解: MOS栅控晶闸管(MCT)是将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率与快速的开关 特性与晶闸管的高电压大电流特性结合在一起的新型复合器件。 1-19.功率集成电路PIC的基本结构组成如何? 解: 功率集成电路PIC至少包含一个半导体功率器件和一个独立功能电路的单片集成电路, PIC分为两大类: 一类是高压集成电路HVIC,它是高耐压功率电子器件与控制电路的单片集成;另一类是智能功率集成电路SPIC(SmartPower-IC),它是功率电子开关器件与控制电 路、保护电路、故障监测电路以及传感器等电路的多种功能电路的集成。 第二章单相可控整流电路 习题与思考题解 2-1•什么是整流? 它是利用半导体二极管和晶闸管的哪些特性来实现的? 解: 整流电路是一种AC/DC变换电路,即将交流电能变换为直流电能的电路,它是 利用半导体二极管的单向导电性和晶闸管是半控型器件的特性来实现的。 2-2.某一电热装置(电阻性负载),要求直流平均电压为75V,电流为20A,采用单 相半波可控整流电路直接从220V交流电网供电。 计算晶闸管的控制角a、导通角0、负载 电流有效值,并选择晶闸管。 解: (1)整流输出平均电压 r~ 12兀厂1兀厂 ud=2U2sin'.td(-.t)=2U2sin'.td('.t) 2: ! . 2 =-U2 兀 上丝〕“畑2上空 COSa=址_1 0.45U2 1=0.5152 0.45220 控制角a~60 导通角 0=n-a=120° (2)•负载电流平均值 Id=^=20(A) R R=Ud/Id=75/20=3.75Q 负载电流有效值I, 即为晶闸管电流有效值Iv1,所以 I=IV1= 、2 U2 sinc^td(cot)=——J匚 1二 : ——sin2二: 一RI4■: U2 —=37.6(A) (3).当不考虑安全裕量时 则晶闸管通态平均电流 IV1=kfelvEAR=1.57IVEAR Ivear=Ivi/1.57=37.4/1.57=23.9(A) 晶闸管可能承受的最大正反向电压为 .2U2F2220: 311(V) 所以,可选择额定通态平均电流为30A、额定电压为400V的晶闸管。 按裕量系数2,可选择额定通态平均电流为50A、额定电压为700V的晶闸管。 2-3.带有续流二极管的单相半波可控整流电路,大电感负载保证电流连续。 试证明输 出整流电压平均值Ud二-j^1COS: ,并画出控制角为a时的输出整流电压Ud、晶闸兀2 管承受电压UV1的波形。 12兀L1H 解: ud=2U2sin,.td「.t)=2U2sin,.td「.t) 2兀丘2'丿2兀£2'丿 -U2 /^CO^KQ.45U2^COsa 控制角为a时的输出整流电压Ud、晶闸管承受电压UV1的波形参阅教材P31中的图2-3 (b)、(c)、(d)和(h)。 24将单相半波可控整流电路中电阻负载和电感性负载的工作原理作个比较,找出差 别,并画出电阻负载输出电压匕、电流id和晶闸管电压Uvi波形;写出Ud、Id计算公式。 解: 电阻性负载电路 输出电流id与输出电压ud相位相同,波形相似。 晶闸管导通区间从a至n,导通角0 =n-aoUd波形从a至变压器二次电压正变负的过零点。 电感性负载电路 由于电感的储能作用,输出电流id与输出电压Ud相位不相同,电流id滞后于电压Ud。 而且,电流id不能随电压Ud突变。 晶闸管导通区间从a开始并超过n过零点,导通角0>n-aoUd波形从a开始至变压器二次电压正变负的过零点后,进入负半周。 导通角0的大小, 与负载电感值L有关,L越大,储能越多,0亦越大,Ud波形进入变压器二次电压负半周的部分亦越多,输出电压的平均值U亦下降的越多。 当负载为大电感负载时,Ud近似等于零, 此时输出平均电流Id亦很小。 电阻负载输出电压Ud、电流id和晶闸管电压Uw波形参阅教材P27中的图2-1。 电阻负载Ud、Id计算公式如下: (1)整流输出平均电压 ji 0.45U2 1COS- (2).负载电流平均值 Id= 2-5.单相半波大电感负载可控整流电路中,带续流二极管和不带续流二管在输出电压 Ud和电流id、晶闸管电压UV1和电流iv1、续流二极管电压UV2和电流iv2波形上有何区别。 写出带续流二极管时Ud、id、iv1、iv2的平均值和有效值计算公式。 解: 不带续流二管时,当负载为大电感负载时,输出电压Ud波形与横坐标所围的正 负面积相等,Ud近似等于零,此时输出平均电流Id亦很小。 输出电压Ud和电流id、晶闸管 电压Uw和电流iv1的波形参阅教材P30中的图2-2o其中,»的波形与id的波形相同。 带续流二极管时,由于续流二极管的作用,晶闸管从a开始导通,至变压器二次电压正 变负的过零点时,由于电感应电动势的作用使续流二级管导通,晶闸管被迫关断,所以,晶 闸管导通区间从a至n,导通角0=n—ao由于负载为大电感负载,所以负载电流id脉动 很小,近似为一平行横坐标的直线,晶闸管电流ivi、续流二极管电流iv2近似为正向矩形波, 导通角分别为0=n—a和9=冗+%。 输出电压Ud和电流id、晶闸管电压Uw和电流ivi、续流二极管电压UV2和电流iv2波形参阅教材P31中的图2-3o 带续流二极管时Ud、id、ivi、iv2的平均值和有效值计算公式如下: (1)输出电压的平均值Ud为 ,1+COS« Ud=0.45U2— 2 (2)输出电压的有效值值U为 (3) 输出电流的平均值 Ud d.t=U2[: sin2 ji-a +. 输出电流的有效值值 (5) 晶闸管的平均电流 IV1AR为 (6) 晶闸管电流的有效值 (7) (8) Id Ud IV1AR= Ivi为 Ivi= Jdd.t二 12 &Vdd®t" ■: 2 续流二极管的平均电流lv2AR为 1兀故 Iv2ar=^.0Idd•— Id ji-a .Id 2■: 续流二极管电流的有效值 .Id .Id a=30°时,U=80V,|d=7A。 计 |2 U2=95V 2-6.有一单相桥式全控整流电路,负载为电阻性,要求 算整流变压器的副边电流丨2,按照上述工作条件选择晶闸管。 解: ld=Ud/R则R=Ud/Id=80/70=1.14Q Ud=0.9U2x(1+cosa)/2 82.12(A) I2 IV1: —厂=58(A) 1<2 Ivear=Iv1/kfe=58/1.57〜37(A) 考虑裕量系数2, 2X37=74(A) 2..2U2=2.295: 268.7(V) 选额定电流100A、额
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