(完整word版)电力电子技术.课后习题答案.南航.丁道宏

1、电力电子技术丁道宏课后习题答案南航第一章第1章思考题与习题1.1晶闸管的导通条件是什么?导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定?答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压uA决定。1.2晶闸管的关断条件是什么?如何实现?晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流IA减小，IA下降到维持电流IH以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。进而实现晶闸管的关断，其两端电压大

2、小由电源电压UA决定。1.3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流IH会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。1.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？答：非正常导通方式有：（1）Ig=0,阳极电压升高至相当高的数值；（1）阳极电压上升率du/dt过高；（3）结温过高。1.5请简述晶闸管的关断时间定义。答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即t=t+1。qrrgr1.6试说明晶闸管有哪些派生器件？答：快速

3、晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。1.7请简述光控晶闸管的有关特征。答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。主要用于高压大功率场合。18型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管，使用在图题18所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)|I-:图题18100V答：(a)因为I二二2mAI，所以不合理。TOC o 1-5 h zA50K0H200V因为I二二20A,KP100的电流额定值为100A，裕量达5倍，太大a100了。150V因为I二二150A，大于额定值，所以不合

4、理。A1019图题19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m电流平均值电流有效值和波形系数。解：图(a)：IT(AV)=“I0msintd(t)=m兀11II=兀(Isint)2d(t)=mTV2k0m2KfIT=L57T(AV)图题19电力电子技术丁道宏课后习题答案南航电力电子技术丁道宏课后习题答案南航图(b)：I)丄J兀1sintd(t)IT(AV兀0m兀mI：丄JK(1sint)2dt)LmT兀om弋2KfT-LlT(AV)图(c)：【T(AV)=怂1mSin叽(血)=命Im3IT=理(1mSin)2d伽)mJ+弐3沁0.6318兀m图(d)：图(e)：图(

5、f)：Kf=1T=1-26T(AV)_11佔云卜1sintd(t)I九m4兀3:丄!:5Sin)2d()=幕3T：2兀Kf=IT=1-78T(AV)1任1IT(AV)=詁。1md(t)=誉i1严1話o41m2d蚀)=茁Kf=1T=2.83T(AV)1任1IT(AV)=2Jo21md佃t)=TI11IJ212dt)mT2兀0-2Kf=2T(AV)110上题中，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？解：(a)图波形系数为1.57,则有：1.57xI=1.57x100A,T(AV)IT(AV)=100A(b)图波形系数为1.11,则有：1.11xI=1.57x10

6、0A,T(AV)IT(AV)=141.4A(c)图波形系数为1.26,则有：1.26xI=1.57x100A,T(AV)【t(av)=124.6A(d)图波形系数为1.78,则有：1.78xI=1.57x100A,T(AV)It(av)=882A(e)图波形系数为2.83,则有：2.83xI=1.57x100A,T(AV)I=555AIt(av)55.5A图波形系数为2则有：2x/“/I.57x100A,It(av)=785A111某晶闸管型号规格为KP200-8D，试问型号规格代表什么意义？解：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800

7、V,D代表通态平均压降为0.6VUt15x10-30.5t150 x10-6二150卩s,所以脉冲宽度必须大于150M。1.14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。考虑安全余量，应如何选取晶闸管的额定电压?若当电流的波形系数为Kf=222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?解：(1)考虑安全余量,取实际工作电压的2倍Ut=220 x2x辽沁622V,取600V(2)因为Kf=2.22,取两倍的裕量，则：2I2.22x100AT(AV)得：It(av)=111(A)取100A。电力电子技术丁道宏

8、课后习题答案南航电力电子技术丁道宏课后习题答案南航r-200V图题1.141.15什么叫GTR的一次击穿?什么叫GTR的二次击穿？答：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。116怎样确定GTR的安全工作区SOA?答：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

9、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P以及二次击穿功率CMP，I,BU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SBCMCEO表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压U，电流I限制界线所围成的区域。CEC1.17GTR对基极驱动电路的要求是什么？答：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。118在大功率GTR组成的开关电路中为什么要加

10、缓冲电路？答：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dudi和集电极电流变化率得到有效值抑制，减小开关损耗和防止高压击穿和硅片局部过dtdt热熔通而损坏GTR。119与GTR相比功率MOS管有何优缺点?答：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。1.20从结构上讲，功率MOS管与VDMOS管有

11、何区别？答：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oVDMOS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（13m）、制成垂直导电结构可以直接装漏极、电流容量大、集成度高。1.21试说明VDMOS的安全工作区。答：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I，最大漏源击穿电压BU最高结温I所决定。（3）换向安全工作区:di换向速度-CMDSJM定时，由漏

12、极正向电压U和二极管的正向电流的安全运行极限值I决定。DSFM1.22试简述功率场效应管在应用中的注意事项。答：（1）过电流保护，（2）过电压保护，（3）过热保护，（4）防静电。1.23与GTR、VDMOS相比，IGBT管有何特点？答：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U可达CEM4500V，IGBT的最高允许结温T为150C，而且IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变JM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

13、同。1.24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/A255075100150200300栅极电阻/Q502515128.253.3答：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。1.25在SCR、GTR、IGBT、GTO、MOSFET、IGCT及MCT器件中，哪些

14、器件可以承受反向电压？哪些可以用作静态交流开关？答：SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT都可承受反向电压。SCR可以用作静态开关。1.26试说明有关功率MOSFET驱动电路的特点。答：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。1.27试述静电感应晶体管SIT的结构特点。答：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U，使其导通，可以加56V的正栅偏压+U

15、,以降低器件的通态压降。GSGS1.28试述静电感应晶闸管SITH的结构特点。答：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。1.29试述MOS控制晶闸管MCT的特点和使用范围。答：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。1.30缓冲电路的作用是

16、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？答: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。第二章2-1题图2-1为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。U2八当U2o，当Ug=O时，T不导通。UT=U2，Ud=0当有Ug,T被导通时，续流二极管承受正向压降

17、导通Ud=U2,UT=0由波形知，输出整流电压平均值为U=I/2Usintdt=2ULcos11=J221d2兀a22兀2a兀22-2上题中，U2=220V,R=10Q，要求输出整流电压平均值030V连续可调。试求控制角a,导通角G的变化范围，选择晶闸管定额并计算变压器次级容量。解：U=丄”、2Usinrotdrot=2ULcostl二2化1+cosd2兀a22兀2a兀2U=0时，对应a2max2x2201+cosamax兀2cosa=1maxa=180。maxU=30V时，对应a2min30=2x2201+cosamin兀2cosa=0.39mina=113.2。mina的变化范围113.2

18、。180。TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 0=180oa,取a=180。，0=0。maxmin取a=113.2。，0=66.8。 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document minmax晶闸管承受正反间电压最大值为：0U2晶闸管流过电流有效值IT兀a:兀-a2兀2兀只考虑a的情况min：180。113.2。30=x-360。10=1.2923A电源容量S=UI=220 x1.2923=284.31(VA)22选择晶闸管时留出裕量1.2923电流：I=(1.52)9=1.231

19、.65(A)，取整得2ATav1.57电压:U=(2-3K/2U=622.3933.4(V),取整得1000VRRM2选晶闸管定额I=2A,U=1000VTavRRM2-3具有变压器中心抽头的单相双半流可控整流电路如图所示ud(1)说明该变压器是否存在直流磁化问题？(2)试绘出a=45。时电阻性负载及大电感负载下，输出整流电压Ud、晶闸管承受的电压UT的波形。解：变压器次级在电源电压的分析：TT2共阴，U2正半周期a=45,T导通，电流经、T1R回到，T2不导通,Ud=U2,U2过零，儿关断，Ud=0，U2负半周期，T2承受正向电压。过零时片关断，T2尚未开，则UT1承受U2电压，T2开后，U

20、T2承受2U2,又过零T2关，T尚未触发，承受U2o2-6题图2-6单相桥式全控整流电路大电感负载，已知q=100V,人=10Q,a=45。负载端不接续流二极管D,计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管电流有效值。负载端接续流二极管D,计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管、续流二级管电流有效值。画出ud、id、iT、iD及变压器次级电流?2的波形。2厶A解：(1)负载端不接续流二极管1、；2Usintd(t)=2*2UcosJ沁0.9x100 xcos45=63.64V兀2兀2J=UyR=6364=6.36Ad/R10=x6.36=4.5A60时，电流断续Ud二U2Usintd二2.34U1+C

21、0S2兀a21221+cosa当0a60时,Ud=二3f3J2Usintdt+J3+aJ2Usintdt血2l22l+a33U兀21=2.34U1+cosa22-182)l!j公式点中灿=聲广=山5当几“=：垃0A时所P対T:-QHmI-I“IGOtiXSOO另当h产6。A阴，所求Lp为LIollo0-45TnH由此讨乩，为慄疋绫路能TE常运行，罚我申.渝啟小，平衡电扌亡器的电感值应取得越大.C3）当负栽电流小丁规定的最小削流时+此整流装置轮逐渐失去两组半波并联导剋特性，向六榨半波整流电路过渡每一瞬间只有-只品闸管导通丫输出理想空載电ZE变为51.35比23匕殷应避免这种情況发生，解O）因为双

22、反星形电路是两组三相半波整流电路朋联，所2整流电压平均值M就等于-组三相半波整流电路朋流电压的平均值Jii比717USrosa由已知Lrd=18V,amin30d碍变压器二次侧相电压5为1i7rnsrtLibiii因为双反星形电路中整流变压器副端有六组绕组*所以整流变器副边容量s.为亘S严HUH=3乂IX:ID2D1D2D12)R=R=0.5S1S2E-2.5E-3+=20 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 0.50.5E=7.75I=10.5A,I=9.5AD1D2漏极电流差I-1=1A,IID2D1D1D2补充题：IGBT的SOA构成？答：

23、IGBT的正偏安全工作区与场效应晶体管相似，由ICM、U（BR）ceo和等功耗线决定的。由于IGBT含有GTR的特性，在某些情况下也会出现二次击穿的问题。何为掣住效应，有何措施避免？答：当集电极电流在到一定程度，Rb上的压降使NPN晶体管导通，从而进入正反馈状态而失去控制作用，成为晶闸管状态，这就是所谓掣住效应或栓锁效应。针对掣住效应的原因，有两种措施：在关断时，IGBT由导通转为截止，受到重加集电极电压上升率的限制。过大的电压上升率会引起掣住效应。措施：仔细设计缓冲电路，降低集电极电压上升率学。dt在导通期间，负载发生短路，IGBT的集电极电流急剧增大，如不加限制，就可能进入掣住状态。措施：

24、设计保护检测电路，检测集电极电压，若其升高，则减小uge，抬高uCE,从而降低IC。拖尾现象如何产生？答：IGBT有两种载流子参与导电，少数载流子需要复合时间IGBT的开关速度就变慢了。同时，在关断时不能用加反向电压强迫少数载流子加快复合来缩短开关时间，少数载流子消失由少子寿命决定，这就出现IGBT特有的关断时电流拖尾现象。第九章9-1降压式变换器电路如图，输入电压为27V10%，输出电压为15V，最大输出功率为120W，最小输出功率为10W。若工作频率为30kHz，求（1）占空度变化范围；（2）保证整个工作范围电感电流连续时电感值；（3）当输出纹波电压AU0=100mV时滤波电容值；（4）电

25、感临界连续电流为4A时电感量，及最小输出时的占空度；（5）如线圈电阻为0.2Q,在最低输入电压，最大功率输出时最大占空度和效率。解：（1）D二D=-U=15=61.7%maxU27X90%iminD=-U=15=50.5%minU27X1.1imaxD的范围:50.5%61.7%(2)P二UI，I120max0max1510min0min15-=0.67A0min3AUTd(1D)2LUTD(1D)i2I0minUoD(1D)U(1D)2fI0min0min2fI0min0minU(1D)o2XImin0min15(10.505)=0.185X103H2xx30 x103=0.1856mHuu

26、iii8Lf2AUCU取U二27x110%iimax151-27xllO%丿8x0.1856xlO-3x302x106xlOOxlO-3=0.0556mF=55.6卩F(4)I二4AG=UTD(1-D)g2LUTD(1-D)LA21GD取D=-minUimax15(15x1-J27xl.l丿2x4x30=0.031mH2U9Uimin门IUD2=oo41kJ-U丿Gmaxi0P二10W,I=A时，U二27x0.9二24.30IU004UT(U-U)8Lio-x15x30 x103x0.031x10-3=3竺x(24.3-15)2=0.08230=IO=8AD=0.287(5)R=0.20,U=

27、27x0.9=24.3V,P=120W,Ii0DU+RIDo0Ui15+0.2x82430.68P0P+P0损120120+0.2x8290.4%9-2升压式变换器另外两种接法如图9-2(a)，晶体管工作在工关状态，电感电流连续,.diAi解：Q导通时，UiLLi1dt1TONUiTTOC o 1-5 h zAON1L1diAiQ关断时，Ui-ULlL0dtTOFFAi2FTLOFF订maxxNl=i2maxx(Nl+N2)IlminxNl=i2x(Nl+N2)AiN+N4+2Ai2N1N212可得：UN1+N2o=UN1i解法2：磁通平衡，伏秒面积相等)1N2D+1-DN11-D旦+1二N+

28、N2D1-D(1-D)N1Qon时，A=JTo丄Udt=on0Ni1Qoff时，人=JToff-off0N+N12(U-U)dt=o卅(1-D)T12TOC o 1-5 h z.A=AonoffDToiN+N12U-U(N+N)Dor=12UN(1-D)i1UN+ND.o=12UN1-N1Di升压式变换器另外两种接法如图9-2(b),晶体管工作在工关状态，电感电流连续，占空度为D,求UU1。diAi解：Q导通时，Ui=LL1=L11dt1TONUiT=ON1L11AQ关断时，Ui-U=L竺=L亠0dtTOFFAi2=空TLOFF订maxx(Nl+N2)=i2maxxNl订x(N1+N2)=i2

29、xN1且L1=(L1+L2)2且L2L12UN1D即得：o=+1UN1+N21-Di9-3升压式变换器等效电路如图9-13，输入电压27V10%，输出电压45V，输出功率750W，假定效率95%，若电感和晶体管导附加等效电阻0.05Q,(1)求最大占空度；(2)如要求输出60V,是否可能？为什么？解：U二27+2.7二29.7VimaxU二27x0.9二24.3Vimin750PIi032.5A耳U95%x24.3iminD对应Umax，u二ULRiimin01-D的情况：Ui-RI24.3-0.05x32.5451DamaxD二0.496maxU-60V时，1D-UiR243一.5532506060D0.62262.2%1可能输出60V9-5单端反激变换器采用如图9-5所示电路，两个晶体管同时开关。问该电路与图9-15有何异同，比较两个电路的特点。如果题图9-5所示电路为正激式，如果输出电容改为图9-22(a)的滤波电路，请与图9-22电路比较各有什么异同。答：与图9-15相比相同点：均能输出稳定电压U0，均可作开压变换器。不同点：