1电力电子技术思考题与习题解答

1电力电子技术思考题与习题解答第一章电力电子技术思索题与习题解答

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它具有耐受高电压和大电流的力量？

电力二极管大都是垂直导电结构，使硅片中通过电流的有效面积增大，可显著提高通流力量；在P和N区之间多了一层低掺杂N区即漂移区，可承受高电压不致击穿；虽然漂移区具有高电阻率不利于正向导通，但可通过电导调制效应来解决。

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。另外在其它条件下，比如阳极电压过高产生雪崩效应，阳极电压上升率过高，结温较高，光直接照耀硅片，也可能使晶闸管导通。

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。

要使晶闸管由导通变为关断，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。

4.图1-43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。

图1-43晶闸管导电波形

解：a)?

=

b

a

ddt)t(fT

I1

1

mmm

mdI.)(ItcosI)t(tdsinII271702

21222144

1

=+=-=

=?πωπωωπ

ππ

ππmmmmmIItItdtItdtII4767.021

432

)2sin41

421(2)(22cos12)()sin(214

44

2

22

1=+=-?????-=??

?

??-=

=??π

ωπππωωπ

ωωπ

πππ

π

ππ

b)

m

mdmm

m

mdI.I..IIII.)(ItcosI)t(tdsinII6741047670732122543402

2

11

121

24

=?====+

=

-=

=

?π

ωπ

ωωπ

π

π

ππ

c)mmdI)t(dII?

==2

3

4

1

21

πωπ

mmI)t(dII2

1

21

2

23=

=

?

π

ωπ

5.上题中假如不考虑平安裕量,问100A的晶闸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，由上题计算结果知

AI.I)AV(FF157571==

a)AI

Im35.3294767

.01=≈

Id10.2717Im189.48A

b)AI

Im90.2326741

.02=≈

,Id20.5434Im2126.56A

c)Im3=2I=314A,Id3=

4

1

Im3=78.5A三相桥式电路，,230,,8.02VULRl=∞=Ω=∑，工作于逆变状态，

6

,290π

β=

-=VED，设电流连续，计算：

（1）输出电流平均值；（2）输出电流有效值；（3）晶闸管电流有效值；（4）沟通电源端功率因数。

解：VUUdl2696

cos

23035.1cos35.12-=??-=-=π

β

R

DIIAR

EUdId不考虑∴∞==-=-=

∑,3.268.0269

290

A

IIA

IdIT4.153

3

.2633.26=====

()827

.055

.807

.7cos1055.83.26230221007.73.262906.268.032322-=-=?=??==?-=?-+?=+=∑?VAIUSVA

EdIdIRPld

6GTO和一般晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而一般晶闸管不能？答：GTO内部有数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，且阴极和门极在器件内部并联在一起，这种多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间距离大为缩短，使得P2基区的横向电阻很小，使从门极抽出较大的电流成为可能；从等效电路原理上讲，设计时2α较大，V2掌握灵敏，使得GTO易于关断；05121.=+αα接近于临界饱和，没有晶闸管饱和程度深，有利于门极掌握关断。多元集成结构还使得比一般晶闸管开能快，承受电流变化率力量更强。

7电力MOSFET具有怎样的结构特点才具有耐受高电压和大电流的力量？

MOSFET驱动电路简洁、驱动功率小；开关速度快、工作频率高；但容量低、耐压低，10KW以下。采纳垂直导电结构和多元集成结构，还有一个漂移区来承受高电压，但无电导调制效应，因而通态电阻大，通态压降高，通态损耗大。

8试分析IGBT和电力MOSFET在内部结构和开关特性上的相像与不同之处？

IGBT比VDMOSFET多一层p+注入区，形成面积很大的P+N结，可实现对漂移区电导率进行调制，具有很强的通流力量；而后者总存在高耐压和低通态电阻的冲突。其开通和关断过程与MOSFET相像。同时，电导调制效应也带来了少子储存现象，因而IGBT开关速度要低于MOSFET。二者的开关过程都受到主回路结构、掌握方式、缓冲电路及主电路寄生参数等条件的影响，必需在实际电路设计时加以考虑。9宽禁带半导体材料做成的电力电子器件有哪些方面的优越性？

宽禁带是指3电子伏特以上的半导体材料如碳化硅、氮化镓、金刚石等材料。比硅有高得多的临界雪崩击穿电场强度和载流子饱和漂移速度、较高的热导率和相差不大的载流子迁移率。因而耐压高、通态电阻低、导热好热稳定性好，在耐高温柔射线辐射方面的性能成数量级的提高。这些器件可能成为将来的进展方向。

10电力电子集成技术可带来哪些好处？功率集成电路与集成电力电子模块实现集成的思路有何不同？

模块化是电力电子器件研制和开发的一个趋势。功率模块是按拓扑结构将主回路的电力电子器件集成在一个模块中，可降低成本、缩小体积和提高牢靠性，对于工作频率较高的电路还

可大大减小线路电感，从而削减对爱护和缓冲电路的要求。如IGBT模块、晶闸管模块。

功率集成电路比功率模块集成度更高。它是将电力电子器件与规律、掌握、爱护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上。有几种名称：强调器件和电路集成电路在一个芯片上称为单片集成。而高压集成电路是将横向高压器件和掌握电路的单片集成。智能功率集成电路指纵向功率器件与掌握电路的单片集成。难点在于凹凸压电路之间的绝缘及温升和散热的有效处理。主要用于小功率的场合。所谓封装集成是将不同模块和电路通过特地设计的引线或导体连接起来，它避开了上述技术难题。

11试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。

解：对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表：

1-13产生缘由：

a.由分闸,合闸产生的操作过电压。

b.雷击引起的雷击