电力电子技术第二章201102
电力电子技术——第二章
2. 阻感负载
• 数量关系
– 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。
– 变压器二次侧电流
I2
2 3
Id
0.816 Id
• 反电势阻感负载
– 在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情
况与阻感性负载时相似，仅在计算Id时有所不同：
Id
U
d R
E
2.6 整流电路的谐波与功率因数
ud
uab uac ubc uba uca ucb uab uac
0
uVT
1
uac
t uac
0
t
uab
2.2.2 三相桥式全控整流电路
• 数量关系
–输出电压连续时，即电阻负载a <60、阻感负载，输出电 压为
Ud
1 π/3
2π 3 π 3
3
2U 2
sin td(t )
2.6.2 谐波和功率因数对电网的影响
• 提高功率因数的途径主要有 ：
– 选择合适的输入电压，在满足控制和调节范围的情况 下尽可能减小控制角a 。
– 增加整流输出电压脉波数，改善交流电流的波形，减 少谐波成分。
– 设置补偿电容器和滤波器。 – 采用高功率因数的整流电路，如PWM整流电路。
2.6.3 整流电路交流侧谐波与无功分析
– a =0
• 与六只二极管组成的不控 整流波形相同
• 输出电压ud波形为线电压 在正半周的包络线
VT1 VT3 VT5
T ia n
id
a
b
ud
c
u2 ud1
= 0ua
ub
uc
0 t1 t2 t3 t4 t5 t6
《电力电子技术》PPT 第2章
图2-12 射极接地NPN型晶体管的静特性
图2-13 射极接地型晶体管电路图
小型晶体管最主要功能是作为线性放大器来使用，而功率 晶体管的主要是用于开关，充分发挥其功耗小、无触点的 优点。 图2-15为双极型晶体管的开关动特性。该特性对其它器件如 MOSFET、IGBT、SCR、GTO均适用。因为，它们都要考 虑电荷蓄积时间造成开关时间滞后的问题，不同的元件只 是滞后时间大小不同而已。图中输入信号为基极电流，输 出波形是指集电极电流与时间的关系。
图2-22 IGBT兼有BJT和MOS的优点
由图2-24（a）的IGBT的等效电路可见，IGBT是 以BJT为主导元件、MOS为驱动元件的达林顿结 构器件。其电路图符号如图2-24（b）所示。
图2-22 IGBT等效电路
2.2.4 晶闸管 1 普通晶闸管
晶闸管是四层（PNPN）三端（AKG）器件。A是阳极， K为阴极，G为门极。它有三个PN结J1、J2、J3。在一 般情况下，由于器件存在着反向PN结，因而，无论是承 受正压还是反压，器件均不能导通。
下面再解释一下图2-8（c），如果在PN结上 加与图2-7相反极性的电压，则在结合面上电 位壁垒将大大提高，该结合面仿佛变成了一 个电容器，使得电流不可能再流通。当然， 严格的说，也有接近0的微安级漏电流流过， 此电流称为反向电流。
2.2.3 电力晶体管
电力晶体管根据产生主电流载流子不同分为双极 型和单极型两类。前者载流子为空穴和电子，后 者只是电子（或空穴）。 单极型晶体管是在控制极加上电压形成电场，进行 电流控制。这类晶体管又称场效应晶体管（field effect transistor）简称FET，在后面章节还要详述。
2.4 电力电子器件的模块化
模块是在单个元件基础上发展起来的新器件， 它是有若干个半导体芯片按不同的用途和目的 进行接线后，封装成一个块状整体。90年代已 经开始普及，除少数超大功率器件外，一般中 小功率器件均模块化。其优点是外部接线简单， 抗干扰能力增强。
《电力电子技术》讲义第02章
2）维持电流I H在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降到刚好能保持导通的最小阳极电流称为维持电流I H。
维持电流与元件容量、结温等因素有关，额定电流大的管子维持电流也大，同一管子结温低时维持电流增大，维持电流大的管子容易关断。
同一型号的管子其维持电流也各不相同。
3）擎住电流I L在晶闸管加上触发电压，当元件从阻断状态刚转为导通状态就去除触发电压，此时要保持元件持续导通所需要的最小阳极电流，称擎住电流I L。
对同一个晶闸管来说，通常擎住电流比维持电流大数倍。
4）断态重复峰值电流I DRM和反向重复峰值电流I RRMI DRM和I RRM分别是对应于晶闸管承受断态重复峰值电压U DRM和反向重复峰值电压U RRM时的峰值电流。
它们都应不大于表1－2中所规定的数值。
5）浪涌电流I TSMI TSM是一种由于电路异常情况（如故障）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。
用峰值表示，见表1－2。
浪涌电流有上下两个级，这些不重复电流定额用来设计保护电路。
（3）门极参数1）门极触发电流I gT室温下，在晶闸管的阳极—阴极加上6V的正向阳极电压，管子由断态转为通态所必需的最小门极电流，称为门极触发电流I gT。
2）门极触发电压U gT产生门极触发电流I gT所必需的最小门极电压，称为门极触发电压U gT。
为了保证晶闸管的可靠导通，常常采用实际的触发电流比规定的触发电流大。
（4）动态参数1）断态电压临界上升率d u/d td u/d t是在额定结温和门极开路的情况下，不导致从断态到通态转换的最大阳极电压上升率。
实际使用时的电压上升率必须低于此规定值（见表1－2）。
限制元件正向电压上升率的原因是：在正向阻断状态下，反偏的J2结相当于一个结电容，如果阳极电压突然增大，便会有一充电电流流过J2结，相当于有触发电流。
若du/dt 过大，即充电电流过大，就会造成晶闸管的误导通。
所以在使用时，采取保护措施，使它不超过规定值。
电力电子技术课件l2
Id
Ud R
流过每个晶闸管的平均电流IdV为
I dV
1 3
I
d
流过每个晶闸管电流的有效值为
IV
U2 Rd
1
2
2
3
3 2
cos
2
0°≤α≤30°
第2章 三相相控整流电路
IV
U2 Rd
1
2
5
6
3 4
cos
2
1 4
sin
2
0°≤α≤150°
（4） 从图2-1(f)可看出，晶闸管所承受的最大反向电压为
不再符合前面的计算公式。
第2章 三相相控整流电路
2.1.4 共阳极整流电路 图2-6(a)所示电路为将三只晶闸管阳极连接在一起
的三相半波可控整流电路，称为共阳极接法。这种接 法可将散热器连在一起， 但三个触发电源必须相互绝 缘。共阳极接法中，晶闸管只能在相电压的负半周工 作，其阴极电位为负且有触发脉冲时导通，换相总是 换到阴极电位更负的那一相去。
第2章 三相相控整流电路
（2） 由于每相导电情况相同，故只需在1/3周期内求取 电路输出电压的平均值， 即一个周期内电路输出的平均值。
当α≤30°时，电流电压连续，输出直流电压平均值Ud为
Ud
1
2 / 3
5 6 6
2U2 sintd (t) 1.17U2 cos 0°≤α≤30°
式中U2φ为变压器次级相电压有效值。
第2章 三相相控整流电路
由上分析可知：
（1） 控制角α=0°时，输出电压最大；α增大， 输出电压
减小； 当α=150°时， 输出电压为零， 所以最大移相范围为
150°。当α≤30°时，电流（压）连续， 每相晶闸管的导通角θ
(完整版)《电力电子技术(第二版)》课后习题及解答
《电力电子技术》习题及解答第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U A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I A减小，I A下降到维持电流I H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，其两端电压大小由电源电压U A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I H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) I g=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gr rr q t t t +=。
1.6试说明晶闸管有哪些派生器件？答：快速晶闸管、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。
1.8型号为KP100-3，维持电流I H =4mA 的晶闸管，使用在图题1.8所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)图题1.8答：（a ）因为H A I mA K V I <=Ω=250100，所以不合理。
电力电子技术_第2章_电力电子器件
电力二极管的伏安特性
正压较小时：耗 尽层变窄
正压为门槛 电压时，耗 尽层消失
2.3.2 电力二极管的基本特性 2.2.2 电力二极管的基本特性
2.
动态特性(Dynamic Characteristic)
动态特性——因结电容的存在，零偏置、正向偏置、反向偏置 等状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压—电 流特性是随时间变化的。
E
LD VD RN VF
电压过冲物理机制主要有两个：
a.阻性机制： 电导调制作用。I↑ → N-区的有效电 阻↓ →管压降也降低，形成峰值UFP。 b.感性机制：正向电流→内部电感上压降，且电流变 化率越高，电压过冲越大。
u i UFP iF
2V
uF t fr
+ + + · + · + + · + · +· + · + · + · + · + · + + · + · +· + · + + · ·
V 1 L V 2 R
控 制 电 路
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
16
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照能够被控制电路信号所控制的程度分类 ◆半控型器件 ☞晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞关断完全是由其承受的电压和电流决定的。 ◆全控型器件
☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。
O U UTO TH
UF
U
2.2.2 电力二极管的基本特性
2.3.2 电力二极管的基本特性
电力电子技术第二章
电
力
电
子
技
术
2．2 电力电子器件基础
1．PN结的形成
完全纯净的、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。在常温下，本征 半导体可以激发出少量的自由电子，并出现相应数量的空穴，这两种不同极 性的带电粒子统称为载流子。 用适当的方法在本征半导体内掺入微量的杂质，会使半导体的导电能力 发生显著的变化，这种半导体称为杂质半导体。因掺入杂质化合价的不同， 杂质半导体分为电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体两类。 N型半导体的杂质为五价元素，在半导体晶体中能给出一个多余的电子， 故N型半导体内自由电子数远大于空穴数，则自由电子称为多数载流子（简 称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。而P型半导体中的杂质为三 价元素，能在半导体晶体中接受电子，使晶体中产生空穴，即P型半导体中 的空穴数远大于自由电子数，则空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载 流子。
电
力
电
子
技
术
2．2．2电力电子器件的封装
图2-2是电力电子器件几种常见的封装形式
TO-220
TO-247
SOT-227
TO-64
TO-209
电
力
电
子
技
术
2．3 功率二极管
功率二极管（Power Diode） 属于不可控电力电子器件，是20世 纪最早获得应用的电力电子器件， 它在整流、逆变等领域都发挥着重 要的作用。基于导电机理和结构的 不同，二极管可分为结型二极管和 肖特基势垒二极管。 二极管的基本结构是半导体 PN结，具有单向导电性，正向偏 臵时表现为低阻态，形成正向电流， 称为正向导通；而反向偏臵时表现 为高阻态，几乎没有电流流过，称 为反向截止。
电
电力电子技术课件 第2章
控制方式：相位控制 触发角 输出直流电压平均值
1
第2章
相控整流电路
整流电路的分类：
按器件组成：不可控、半控、全控 按电网、交流电相数：单相、三相、多相
按接线方式：半波、全波
2
第2章
相控整流电路
整流电路形式繁杂，重点掌握：
电路拓扑
控制策略
工作原理、波形分析
数量关系
3
第2章
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。
18
为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管
T a) u1 u2 VT id uVT iVD ud
R
L
VDR R u2 b) O ud c) O id d) O i VT e) O iVD f) O uVT g) O
R
t1
t
t
Id
3) α<ωt<α+θ区域
t
0
t
16
1 1 1 Ud u2d(t ) 2π uR d(t ) 2π uLd(t ) 2π
1 L 0 uL d(t ) 2π 0 di 0 2π
Ud UR
电感元件的一个重要特性：在稳态条件下，电感两端 的电压平均值恒等于零。换言之，在一个周期内，电 感储存的能量等于释放的能量。
sin 2 IVT I 2 2 4
晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源 电压的峰值
11
变压器二次侧有功功率、视在功率、功率因数
P I R UI
电力电子技术第2章答案
第2章 可控整流器与有源逆变器习题解答2-1 具有续流二极管的单相半波可控整流电路，电感性负载，电阻为5Ω,电感为，电源电压2U 为220V ，直流平均电流为10A ，试计算晶闸管和续流二极管的电流有效值，并指出其电压定额。
解：由直流输出电压平均值d U 的关系式：2cos 145.02α+=U U d 已知直流平均电流d I 为10A ，故得：A R I U d d 50510=⨯==可以求得控制角α为：0122045.0502145.02cos 2≈-⨯⨯=-=U U d α 则α=90°。
所以，晶闸管的电流有效值求得， ()A I I I t d I I d d d d VT 521222212==-=-==⎰ππππαπωππα 续流二极管的电流有效值为：A I I d VD R 66.82=+=παπ 晶闸管承受的最大正、反向电压均为电源电压的峰值22U U M =，考虑2~3倍安全裕量，晶闸管的额定电压为()()V U U M TN 933~6223113~23~2=⨯==续流二极管承受的最大反向电压为电源电压的峰值22U U M =，考虑2~3倍安全裕量，续流二极管的额定电压为()()V U U M TN 933~6223113~23~2=⨯==2-2 具有变压器中心抽头的单相双半波可控整流电路如图2-44所示，问该变压器是否存在直流磁化问题。
试说明晶闸管承受的最大反向电压是多少当负载是电阻或者电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时是否相同。
解：因为单相双半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。
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 2VT 为例。
当1VT 导通时，晶闸管2VT 通过1VT 与2个变压器二次绕组并联，所以2VT 承受的最大电压为222U 。
《电力电子技术》PPT第2章
《电力电子技术》PPT第2章2.4电力电子器件的模块化模块是在单个元件基础上发展起来的新器件，它是有若干个半导体芯片按不同的用途和目的进行接线后，封装成一个块状整体。
90年代已经开始普及，除少数超大功率器件外，一般中小功率器件均模块化。
其优点是外部接线简单，抗干扰能力增强。
2.5 智能电力电子模块（IPM）IPM（IntelligentPowerModule）智能电力电子模块是功率集成电路PIC（PowerIntegratedCircuits）的一种。
一类称为高压集成电路，简称HVIC，它是横向高耐压电力半导体器件与控制电路的单片集成；另一类即IPM，它是纵向电力半导体器件与控制电路保护电路以及传感器电路等多功能集成。
由于高度集成化使模块结构十分紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟等带来的一系列技术难题，使变频器的可靠性得到进一步提高。
IPM的智能化表现为可以实现控制、保护、接口三大功能，构成混合式电力集成电路。
2.6全控型电力电子器件的比较1电压、电流的比较图2-45电压、电流的比较2性能的比较200200200200125150最高工作结温（℃）中等高高高低中等di/dt高高高高低中等du/dt中等低低很低中等高门栅极驱动功耗100200×10320×103501050最大开关速度（kHz）10倍额定值5倍额定值5倍额定值5倍额定值10倍额定值3倍额定值浪涌电流耐压量100～500306604030正向导通电流密度（A/cm2）220200100～12400～1003500400正向电流范围（A）500～450050～150050～1000200～2500500～9000100～1400正向阻断电压范围（V）500～450000200～2500500～6500<50反向电压阻断能力（V）导通/关断导通/关断阻断阻断阻断阻断常态电压电压电压电压电流电流控制方式S.ITHS.ITVDMOSIGBTGTOBJT器件名称2.7电力电子器件的相关技术1串并联技术图2-47直流输电用晶闸管变换装置的一个模块（桥式电路的一个臂）该模块均衡电路由以下几部分构成。
【免费下载】电力电子技术第二章
第二章整流电路整流----AC 变为DC器件角度： 不可控、半控型、全控型 电路结构：桥式和零式电路输入相数：单相和多相电路2.1单相可控整流电路单相半波可控整流电路单相桥式全控整流电路（单相全控桥整流电路）单相全波可控整流电路（单相双半波可控整流电路）单相桥式半控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路一、纯电阻负载a.工作原理（波形） 半波和全波的区分！b.数量关系设：u 2=U 2sin ωt2●整流输出直流电压平均值U d =0.45U 2·2cos 1α+●整流输出电压的有效值U=U 2παπαπ4sin22＋－●负载直流电流的平均值 (=晶闸管电流的平均值)I d =Rd U ●负载电流的有效值I(=晶闸管电流的有效值=电源电流有效值I 2)＝R2U παπαπ4sin22＋－●晶闸管承受的正、反向峰值电压分别为U 22●电源的视在功率S= U 2·I 2●电路的功率因数cos ==ϕ22I U I U **2U U 导通角θ＝π－αc.举例（自学辅导P-40页）二、阻抗性负载1.无续流二极管时电感线圈既是储能元件，又是电流的滤波元件，它使负载电流波形平滑。
当ωt=ωt 1=α时，SCR 导通，负载电压突变，但电流不能突变；当ωt 1<ωt≤ωt 2时，i d 由零增大，到ωt 2时，i d 到达最大。
u L =0,u2=i d R=u R此期间u2向R 提供有功功率,同时向L 提供磁场能量的无功功率;当ωt 2<ωt≤ωt 3时，i d 的减小滞后于u2的减小。
R 所消耗的能量部分来自u2, 部分来自L 释放的能量；当ωt 3<ωt<ωt 4时，因u L 大于u2,SCR 正向受压，仍导通。
L 所释放的能量部分供给R ，部分回馈给u2;当ωt=ωt 4时，i d =0,SCR 关断。
注意：（1）电感性负载时，计算较为复杂；（2）但纯电感（X L ≥10R ）负载时： U d =0,负载电流：i d =0 0<ωt<α及2π－α<ωt<2πi d =U 2(cos α-cosωt) α<ωt<2π-αLω2(ωt＝π时i d 达到最大) 导通角：θ＝2π－2α 平均电流：2.有续流二极管时a. 工作原理（波形）b.数量关系●整流输出直流电压平均值U d =0.45U 2·2cos 1α+●负载电流的平均值I d =RdU ●续流二极管中电流的平均值I dVD =·I dπαπ2+●续流二极管中电流的有效值I VD =dI παπ2＋●晶闸管电流的平均值I dVT =·I dπαπ2-●晶闸管电流的有效值I VT =dI παπ2-●晶闸管承受的正、反向峰值电压均为U 22●电源电流有效值I 2=I dVT●电路的功率因数cos ＝＝ϕ22dd I U I U **）－（＋αππαcos 1小结：2.1.2单相桥式全控整流电路一、电阻负载a.工作原理（波形）b.数量关系设：u 2=U 2sin ωt导通角：θ＝π－α2·整流输出直流电压平均值U d =0.9U 2·2cos 1α+·整流输出电压的有效值·负载直流电流的平均值I d =Rd U ·负载电流的有效值I ·晶闸管电流的平均值I dVT =0.5 I d·晶闸管电流的有效值I VT =I21·晶闸管承受的正、反向峰值电压分别为和U 2222U 2·电源电流有效值·电源的视在功率·电路的功率因数二、阻感（大电感）性负载1. 不加续流二极管 导通角：θ＝πα小于90。
电力电子技术课件-第2章 可控整流器与有源逆变器 142页-PPT文档资料
2 U 1 1 cos 1 co 2 U 2 U sin t d t 0 . 45 U d 2 2 2 π π 2 2
输出电流平均值Id:
U U cos d 21 I 0.45 d R R 2
(2) 输出电压有效值U与输出电流有效值I 输出电压有效值U:
(2) 移相与移相范围 移相是指改变触发脉冲ug出现的时刻， 即改变控制角α的大小。 移相范围是指触发脉冲ug的移动范围， 它决定了输出电压的变化范围。单相半 波可控整流器电阻性负载时的移相范围 是0～180º。
2. 基本数量关系 (1) 直流输出电压平均值Ud与输出电流平均 值Id 直流输出电压平均值Ud:
2 1 1 π U 2 U sin td t U sin 2 2 2 2 π 4 π 2 π
输出电流有效值I:
UU 1 π 2 I sin 2 R R 4 π 2 π
(3) 晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效 值 单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压 器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等作波形(电阻性负 载)
变压器T起变换电压和隔离的作用，在电源电压 正半波，晶闸管承受正向电压，在ωt=α处触发 晶闸管，晶闸管开始导通；负载上的电压等于变 压器输出电压u2。在ωt=π时刻，电源电压过零， 晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。 在电源电压负半波，uAK＜0，晶闸管承受反向电 压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有 输出电压，直到电源电压u2的下一周期，直流输 出电压ud和负载电流id的波形相位相同。
1. 工作原理 电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联 电抗器等。 当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应 电势，感应电势对负载电流的变化有阻止作用， 使得负载电流不能突变。当电流增大时，电感 吸收能量储能，电感的感应电势阻止电流增大； 当电流减小时，电感释放出能量，感应电势阻 止电流的减小，输出电压、电流有相位差。
电力电子技术第二章
2.1.1 电力电子器件的特点
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以在主电路
电力电子器件为核心的主电路组成。
和控制电
路中附加
一些电路，
控
制 控制电路
电
检测 电路
保护 电路
V1
LR
以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
驱动
路
电路
V2 主电路
电力电子
器件有三
电气隔离
个端子组
成
2.1.2 电力电子器件的分类
+4
+4
+4
+4
+4
+4
2.2.1 PN结原理
自由电子
+4 +4 +4
温度 光照 本征激发
由热激发或光照而使电子脱离共
价键，从而产生自由电子，同时
+4
+4 空穴 在共价键中形成空穴，由此产生
自由电子和空穴对（载流子）。
+4 ＋ +4
+4
+4
空穴—共价键中的空位
空穴的移动——空穴的运动是靠
相邻共价键中的价电子依次充填空 穴来实现的。
单 极 型 （
GTO RCT
LTT TRIAC
（
2．2 电力电子器件基础
2.2.1 PN结原理
• 半导体：导电性能介于导体
和绝缘体之间的物质。其导
电能力受到外部条件（如光、
+4
+4
+4
热等）影响。半导体是否纯
净也会影响其导电能力。
• 本征（instinct）半导体： 是一种完全纯净的、结构完 整的半导体晶体。在绝对零 度时，其价带满带（充满电 子），而其导带则无电子。
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电力电子技术第五版课后习题答案第二章 电力电子器件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：u AK >0且u GK >0。
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I ，试计算各波形的电流平均值I 、I 、I 与电流有效值I 1、I 2、I 3。
π4π4π25π4a)b)c)图1-43图2-27 晶闸管导电波形解：a) I d1=π21⎰ππωω4)(sin t td I m =π2m I (122+)≈0.2717 I m I 1=⎰ππωωπ42)()sin (21t d t I m =2m I π2143+≈0.4767 I m b) I d2 =π1⎰ππωω4)(sin t td I m =πm I (122+)≈0.5434 I m I 2 =⎰ππωωπ42)()sin (1t d t I m =22mI π2143+≈0.6741I m c) I d3=π21⎰20)(πωt d I m =41I m I 3 =⎰202)(21πωπt d I m =21 I m5. 上题中如果不考虑安全裕量,问100A 的晶闸管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(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 m1≈4767.0I≈329.35， I d1≈0.2717 I m1≈89.48b) I m2≈6741.0I≈232.90, I d2≈0.5434 I m2≈126.56 c) I m3=2 I = 314,I d3=41 I m3=78.5第三章 整流电路1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电，L ＝20mH ，U 2＝100V ，求当α＝0︒和60︒时的负载电流I d ，并画出u d 与i d 波形。
电力电子技术第2章 习题 - 答案
班级 姓名 学号 第2/9章 电力电子器件 课后复习题第1部分：填空题1. 电力电子器件是直接用于 主 电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
2. 主电路是在电气设备或电力系统中，直接承担 电能变换或控制任务的电路。
3. 电力电子器件一般工作在开关状态。
4. 电力电子器件组成的系统，一般由控制电路、驱动电路、主电路三部分组成，由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加保护电路。
5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：不可控器件、半控型器件和全控型器件。
6．按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：电流驱动型和电压驱动型。
7. 电力二极管的工作特性可概括为单向导电性。
8. 电力二极管的主要类型有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。
9. 普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高,一般为1K Hz以下的整流电路。
其反向恢复时间较长，一般在5s以上。
10.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在5s以下。
11.肖特基二极管的反向恢复时间很短,其范围一般在10～40ns之间。
12.晶闸管的基本工作特性可概括为：承受反向电压时，不论是否触发，晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在门极正确触发情况下，晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通，门极 就失去控制作用。
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降至维持电流以下。
13.通常取晶闸管的U DRM和U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压。
选用时，一般取为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。
14.使晶闸管维持导通所必需的最小电流称为维持电流。
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称为擎住电流。
对同一晶闸管来说，通常I L约为I H的称为2~4 倍。
15.晶闸管的派生器件有： 快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管。
16. 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10微秒左右。
电力电子技术第二章整流1 共91页
2.4 电容滤波的不可控整流电路（不作要求） 2.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路 2.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路
2.5 整流电路的谐波和功率因数 2.5.1 谐波和无功功率分析基础 2.5.2 带电感性负载时可控整流电路交流侧谐波和功 率因数分析 2.5.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功 率因数分析 2.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析
第二章 第 8 页
2.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）
〔基本数量关系〕
直流输出电压平均值Ud
U d 2 1 2 U 2 sitn (d t)2 2 U 2(1 co ) 0 s .4 U 2 5 1 c 2o （2s -1）
说明：使用万用表直流档测量Ud即为该数值；
（2） ωt1 ～ π : U2为正， VT1和VT4 由于触发脉冲UG的 作用而导通， VT2和VT3承受 U2 的反向电压， id =U2/R ；
（3） π ～ ωt2(π + ωt1) ：
U2为负，VT2和VT3无触发脉 冲截止，VT2和VT3分担U2/2的 正向电压，VT1和VT4分担U2/2 的反向电压, Ud=0;
u2
重点注意：工作原理（波形分析）、定 b ) 0 t1
2
t
量计算、不同负载的影响。
ug
c)
0
t
ud
2.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波） d ) 0
t
Single Phase Half Wave Controlled Rectifier
uVT
1. 带电阻负载的工作情况
t 关断；
第二章 第 13 页
图2-2 带电感性负载的 单相半波电路及其波形
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电
力
电
子
技
术
2.1.2 电力电子器件的分类
2) 全控型器件 (Full-controlled Device)—— 通过控制信号既可 控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件
绝缘栅双极晶体管（ Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT ） 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）
型半导体） 在本征半导体中掺入三价的元素（硼）
空穴 (多数载流子）
+4 +4
+4
+4 +4 +3
+4
+4 +4 +3
+4
+4 +4
+4
受主 杂质
电
2.2.1
力
电
子
技
术
PN结原理
PN结：是指半导体的P型导电区和N型导电区的结合部。
N型半导体和P型半导体结合后，交界 处电子和空穴的浓度差别，造成了各 区的多子向另一区的扩散运动，到对
在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路
对控制电路的信号进行适当功率放大，这就是电
力电子器件的驱动电路(Driving Circuit）
电
力
电
子
技
术
2.1.1 电力电子器件的特点
4）电力电子器件工作时常需配臵缓冲和保护电路
• 电力电子器件的过压、过流能力较弱
• 开关过程中电压、电流会发生急剧变化 • 为了增强可靠性通常需要缓冲电路抑制电压电流变化率 • 保护电路用于防止电压和电流超过器件极限值
电力二极管（Power Diode）
只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和 电流决定的
电
力
电
子
技
术
2.1.2 电力电子器件的分类
电力电子器件分类树1
非 可 控 器 件
整 流 二 极 管 非 自 关 断 器 件 普通晶闸管(SCR) 快速晶闸管(FST) 双向晶闸管(TRIAC) 逆导晶闸管(RCT) 光控晶闸管(LTT) 双极型电力晶体管(GTR) 电力场效应晶体管(PMOSFET)
N型区
扩散运动和漂移运动既相互联系又是矛盾 。 - 。 - 。 的，最终达到动态平衡，正、负空间电荷 - - 。 。 。 量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间 P型区 电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按 所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡 层或势垒区（Barrier）。
空间电荷区
接触电位差
电
2.2.1
正向偏置
力
电
子
技
术
PN结原理
- 。 - 。 。 - 。 - 。 。 - 。 - 。 。 - 。 - 。 。
P
-
+
+ · + · + + · + · +· + · + · + · + · + · + + · + · +· + + + · · ·
NN
1)在正向偏臵外电场作用下,P区和N区 多子的扩散运动得以加强，而少子的 飘移运动则得以抑制
2)P区和N区多子穿过耗尽层，到达对方，
电
力
电
子
技
术
2.1.1 电力电子器件的特点
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以 在主电路 电力电子器件为核心的主电路组成。 和控制电
检测 电路
路中附加 一些电路 ，以保证 电力电子 器件和整 个系统正 常可靠运 行
控 制
控制电路 电
V1
保护 电路 驱动 电路
L
V2
R
路
主电路
电气隔离
电力电子 器件有三 个端子组 成
电
2.2.1
力
电
子
技
术
PN结原理
2．2．1 PN结原理
几个重要概念： 1）原子最外层的电子称为价电子； 2）价带上的电子是不能导电的，只有当价带上的电子获得足够的能 量跨越禁带而跃迁到导带上成为自由电子后，并在外电场的作用下 即可导电； 3）绝缘体的禁带很宽，半导体的禁带较窄，导体没有禁带； 4）本征半导体价带中的电子被激发到导带后，同时会在价带上出现空穴 ，导带上的自由电子和价带中的空穴都能在外电场的作用下产生定向运动 而形成电流，因此半导体中的导带电子与价带空穴都是运载电流的粒子， 因此称为载流子；
一种完全纯净的、结构完整
的半导体晶体。
+4 +4 +4
电
2.2.1
自由电子
+4
力
电
子
温度 光照
技
术
PN结原理
本征激发
由热激发或光照而使电子脱离 共价键，从而产生自由电子， 同时在共价键中形成空穴，由 此产生自由电子和空穴对。
+4
+4
空穴
+4
+4
＋
+4
空穴—共价键中的空位 空穴的移动——空穴的运动
内电 场
- 。 - 。 。 - 。 - 。 。 - 。 - 。 。 - 。 - 。 。 - 。 - 。 。
P型区
-
+ + + + +
+ · + · + · + · + · + · + · + · + · + + + · · · + · + + · ·
N型区
方区内成为少子。 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， 称为空间电荷。
换或控制的电子器件。
主电路（Main Power Circuit）—电力电子
设备或系统中，直接完成电能变换或控制的电路 。
电
力
电
子
技
术
2.1.1 电力电子器件的特点
690V 接触器 EMI 升压变压器 接触器 核心控制单元 核心控制单元
LCL 滤波器
du/dt 抑制器
Vdc
EMI
DFIG
SVPWM
电
力
电
子
技
术
2.1.2 电力电子器件的分类
3 、按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况 分为三类： 1) 单极型器件(Unipolar Device)：由一种载流子参与导 电的器件（MOSFET, SIT, 肖特基二极管） 2) 双极型器件 (Bipolar Device)：由电子和空穴两种载 流子参与导电的器件（GTR, GTO, SITH，SR）
绝缘栅双极电力晶体管(IGBT)
电 力 电 子 器 件
可 控 器 件
自 关 断 器 件
晶体管
静电感应型晶体管(SIT)
晶闸管 门极可关断晶闸管(GTO) 场控晶闸管(MCT) 静电感应型晶闸管(SITH)
电
力
电
子
技
术
2.1.2 电力电子器件的分类
2、按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质， 分为两类： 1) 电流驱动型 (Current Driving Type)—— 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。如GTO、 GTR 2) 电压驱动型 (Voltage Driving Type)—— 仅通过在控制 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。又称为场控器件，或场效应器件。如 MOSFET
N型半导体（电子型半导体：多数载流子-电子；少数载流子-空穴） 多余电子， 在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 ) 成为自由电子 自由电子
（多数载流子）
+4
பைடு நூலகம்+4
+4
+4
+4 +4 +4
+4 +5 +4
+4 +5 +4
+4
施主杂质
电
2.2.1
力
电
子
技
术
PN结原理
P型半导体 （空穴型半导体：多数载流子-空穴；少数载流子-电子）） （空穴
电
力
电
子
技
术
2.1.2 电力电子器件的分类
电
力
电
子
技
术
2.1.2 电力电子器件的分类
1、按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：
1 ） 半 控型器件 (Semi-controlled Device) ——通过控制信号可以 控制其导通而不能控制其关断
器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件
GTR
T TO RC G 晶闸管 型 TR LT IA T 电力二极管 C
电
力
电
子
技
术
2．2 电力电子器件基础
2.2.1 PN结原理
半导体：导电性能介于导体
和绝缘体之间的物质。其导 电能力受到外部条件（如光、 热等）影响。半导体是否纯 净也会影响其导电能力。
+4 +4 +4 +4 +4 +4
本征（instinct）半导体：是
电力电子器件的动态特性（开关特性）和参数，也是电力电子器 件特性很重要的方面，特别是在高性能的电力电子系统设计时， 甚至上升为最为关键的重要问题。 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替 有时将其称之为电力电子开关或电力半导体开关。