电力电子技术第二版张兴课后习题答案教学文稿
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一、简答题 2.1 晶闸管串入如图所示的电路，试分析开关闭合和关断时电压表的读数。
S V
R
题 2.1 图 在晶闸管有触发脉冲的情况下，S 开关闭合，电压表读数接近输入直流电压；当 S 开关 断开时，由于电压表内阻很大，即使晶闸管有出发脉冲，但是流过晶闸管电流低于擎住电流， 晶闸管关断，电压表读数近似为 0（管子漏电流形成的电阻与电压表内阻的分压值）。 2.2 试说明电力电子器件和信息系统中的电子器件相比，有何不同。 电力电子系统中的电子器件具有较大的耗散功率；通常工作在开关状态；需要专门的驱 动电路来控制；需要缓冲和保护电路。 2.3 试比较电流驱动型和电压驱动型器件实现器件通断的原理。 电流驱动型器件通过从控制极注入和抽出电流来实现器件的通断；电压驱动型器件通过 在控制极上施加正向控制电压实现器件导通，通过撤除控制电压或施加反向控制电压使器件 关断。 2.4 普通二极管从零偏置转为正向偏置时，会出现电压过冲，请解释原因。 导致电压过冲的原因有两个：阻性机制和感性机制。阻性机制是指少数载流子注入的电 导调制作用。电导调制使得有效电阻随正向电流的上升而下降，管压降随之降低，因此正向 电压在到达峰值电压 UFP 后转为下降，最后稳定在 UF。感性机制是指电流随时间上升在器 件内部电感上产生压降，di/dt 越大，峰值电压 UFP 越高。 2.5 试说明功率二极管为什么在正向电流较大时导通压降仍然很低，且在稳态导通时 其管压降随电流的大小变化很小。 若流过 PN 结的电流较小，二极管的电阻主要是低掺杂 N-区的欧姆电阻，阻值较高且 为常数，因而其管压降随正向电流的上升而增加；当流过 PN 结的电流较大时，注入并积 累在低掺杂 N-区的少子空穴浓度将增大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应 大幅度增加，导致其电阻率明显下降，即电导率大大增加，该现象称为电导调制效应。 2.6 比较肖特基二极管和普通二极管的反向恢复时间和通流能力。从减小反向过冲电 压的角度出发，应选择恢复特性软的二极管还是恢复特性硬的二极管？ 肖特基二极管反向恢复时间比普通二极管短，通流能力比普通二极管小。从减少反向过 冲电压的角度出发，应选择恢复特性软的二极管。
V
R1
R2
VD
A
ui
题 2.17 图 当 u>0 时，VD 正向导通，R2 被短路，则流过 R1 电流 i1 和 R2 上电流 i2 分别为：
i1 ( 2U / R1) sin t t 0, π
i2 0
t 0, π
当 u<0 时，VD 截止，R1 和 R2 构成串联电路，电流为：
i1 =i2
R1
2U R2
sin t
t (π,2π)
R1 上电流波形如图所示，
i1
2U R1
2U R1Hale Waihona Puke Baidu R2
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2.7 描述晶闸管正常导通的条件。 承受正向电压且有门极触发电流。 2.8 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？ 晶闸管流过的电流大于维持电流，通过外部电路使晶闸管流过的电流低于维持电流。 2.9 试分析可能出现的晶闸管的非正常导通方式有哪几种。 IG=0 时阳极电压达到正向转折电压 Ubo；阳极电压上升率 du/dt 过高；结温过高。 2.10 试解释为什么 Power MOSFET 的开关频率高于 IGBT、GTO。 Power MOSFET 为单极性器件，没有少数载流子存贮效应，反向恢复时间很短。 2.11 从最大容量、开关频率和驱动电路三方面比较 SCR、Power MOSFET 和 IGBT 的 特性。 最大容量递增顺序为 Power MOSFET、IGBT、SCR;开关频率递增顺序为 SCR、IGBT、 Power MOSFET；SCR 为电流型驱动；而 Power MOSFET 和 IGBT 为电压型驱动。 2.12 解释电力电子装置产生过电压的原因。 电力电子装置可能的过电压原因分为外因和内因。外因过电压主要来自雷击和系统中的 操作过程等外部原因，如由分闸、合闸等开关操作引起过电压。而内因过电压主要来自电力 电子装置内部器件的开关过程。1）换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在 换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向 电流急剧减小，会因线路电感在器件两端感应出过电压；2）关断过电压：全控型器件关断 时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 2.13 在电力电子装置中常用的过电流保护有哪些？ 快速熔断器、快速断路器和过电流继电器都是专用的过电流保护装置，还有通过驱动实 施保护的电子电路过流保护。 2.14 试分析电力电子器件串并联使用时可能出现什么问题及解决方法。 采用多个功率管串联时，应考虑断态时的均压问题。应在功率管两端并联电阻均衡静态 压降，并联 RC 电路均衡动态压降。
采用多个功率管并联时，应考虑功率管间的均流问题。在进行并联使用时，应尽选择同 一型号且同一生产批次的产品，使其静态和动态特性均比较接近。其中功率 MOSFET 沟道 电阻具备正温度系数，易于并联。
2.15 电力电子器件为什么加装散热器？ 与信息系统中的电子器件主要承担信号传输任务不同，电力电子器件处理的功率较大， 具有较高的导通电流和阻断电压。由于自身的导通电阻和阻断时的漏电流，电力电子器件要 产生较大的耗散功率，往往是电路中主要的发热源。为便于散热，电力电子器件往往具有较 大的体积，在使用时一般都要安装散热器，以限制因损耗造成的温升。
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二、计算题 2.16 在题 2.16 图中，电源电压有效值为 20V，问晶闸管承受的正反向电压最高是多少？
考虑安全裕量为 2，其额定电压应如何选取？
VT
AC
10Ω
题 2.16 图
正反向电压最高是 20 2V ，考虑安全裕量，额定电压选取 40 2V
2.17 如图所示，U 为正弦交流电 u 的有效值，VD 为二极管，忽略 VD 的正向压降及 反向电流的情况下，说明电路工作原理，画出通过 R1 的电流波形，并求出交流电压表 V 和 直流电流表 A 的读数。
一、简答题 2.1 晶闸管串入如图所示的电路，试分析开关闭合和关断时电压表的读数。
S V
R
题 2.1 图 在晶闸管有触发脉冲的情况下，S 开关闭合，电压表读数接近输入直流电压；当 S 开关 断开时，由于电压表内阻很大，即使晶闸管有出发脉冲，但是流过晶闸管电流低于擎住电流， 晶闸管关断，电压表读数近似为 0（管子漏电流形成的电阻与电压表内阻的分压值）。 2.2 试说明电力电子器件和信息系统中的电子器件相比，有何不同。 电力电子系统中的电子器件具有较大的耗散功率；通常工作在开关状态；需要专门的驱 动电路来控制；需要缓冲和保护电路。 2.3 试比较电流驱动型和电压驱动型器件实现器件通断的原理。 电流驱动型器件通过从控制极注入和抽出电流来实现器件的通断；电压驱动型器件通过 在控制极上施加正向控制电压实现器件导通，通过撤除控制电压或施加反向控制电压使器件 关断。 2.4 普通二极管从零偏置转为正向偏置时，会出现电压过冲，请解释原因。 导致电压过冲的原因有两个：阻性机制和感性机制。阻性机制是指少数载流子注入的电 导调制作用。电导调制使得有效电阻随正向电流的上升而下降，管压降随之降低，因此正向 电压在到达峰值电压 UFP 后转为下降，最后稳定在 UF。感性机制是指电流随时间上升在器 件内部电感上产生压降，di/dt 越大，峰值电压 UFP 越高。 2.5 试说明功率二极管为什么在正向电流较大时导通压降仍然很低，且在稳态导通时 其管压降随电流的大小变化很小。 若流过 PN 结的电流较小，二极管的电阻主要是低掺杂 N-区的欧姆电阻，阻值较高且 为常数，因而其管压降随正向电流的上升而增加；当流过 PN 结的电流较大时，注入并积 累在低掺杂 N-区的少子空穴浓度将增大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应 大幅度增加，导致其电阻率明显下降，即电导率大大增加，该现象称为电导调制效应。 2.6 比较肖特基二极管和普通二极管的反向恢复时间和通流能力。从减小反向过冲电 压的角度出发，应选择恢复特性软的二极管还是恢复特性硬的二极管？ 肖特基二极管反向恢复时间比普通二极管短，通流能力比普通二极管小。从减少反向过 冲电压的角度出发，应选择恢复特性软的二极管。
V
R1
R2
VD
A
ui
题 2.17 图 当 u>0 时，VD 正向导通，R2 被短路，则流过 R1 电流 i1 和 R2 上电流 i2 分别为：
i1 ( 2U / R1) sin t t 0, π
i2 0
t 0, π
当 u<0 时，VD 截止，R1 和 R2 构成串联电路，电流为：
i1 =i2
R1
2U R2
sin t
t (π,2π)
R1 上电流波形如图所示，
i1
2U R1
2U R1Hale Waihona Puke Baidu R2
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2.7 描述晶闸管正常导通的条件。 承受正向电压且有门极触发电流。 2.8 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？ 晶闸管流过的电流大于维持电流，通过外部电路使晶闸管流过的电流低于维持电流。 2.9 试分析可能出现的晶闸管的非正常导通方式有哪几种。 IG=0 时阳极电压达到正向转折电压 Ubo；阳极电压上升率 du/dt 过高；结温过高。 2.10 试解释为什么 Power MOSFET 的开关频率高于 IGBT、GTO。 Power MOSFET 为单极性器件，没有少数载流子存贮效应，反向恢复时间很短。 2.11 从最大容量、开关频率和驱动电路三方面比较 SCR、Power MOSFET 和 IGBT 的 特性。 最大容量递增顺序为 Power MOSFET、IGBT、SCR;开关频率递增顺序为 SCR、IGBT、 Power MOSFET；SCR 为电流型驱动；而 Power MOSFET 和 IGBT 为电压型驱动。 2.12 解释电力电子装置产生过电压的原因。 电力电子装置可能的过电压原因分为外因和内因。外因过电压主要来自雷击和系统中的 操作过程等外部原因，如由分闸、合闸等开关操作引起过电压。而内因过电压主要来自电力 电子装置内部器件的开关过程。1）换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在 换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向 电流急剧减小，会因线路电感在器件两端感应出过电压；2）关断过电压：全控型器件关断 时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 2.13 在电力电子装置中常用的过电流保护有哪些？ 快速熔断器、快速断路器和过电流继电器都是专用的过电流保护装置，还有通过驱动实 施保护的电子电路过流保护。 2.14 试分析电力电子器件串并联使用时可能出现什么问题及解决方法。 采用多个功率管串联时，应考虑断态时的均压问题。应在功率管两端并联电阻均衡静态 压降，并联 RC 电路均衡动态压降。
采用多个功率管并联时，应考虑功率管间的均流问题。在进行并联使用时，应尽选择同 一型号且同一生产批次的产品，使其静态和动态特性均比较接近。其中功率 MOSFET 沟道 电阻具备正温度系数，易于并联。
2.15 电力电子器件为什么加装散热器？ 与信息系统中的电子器件主要承担信号传输任务不同，电力电子器件处理的功率较大， 具有较高的导通电流和阻断电压。由于自身的导通电阻和阻断时的漏电流，电力电子器件要 产生较大的耗散功率，往往是电路中主要的发热源。为便于散热，电力电子器件往往具有较 大的体积，在使用时一般都要安装散热器，以限制因损耗造成的温升。
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二、计算题 2.16 在题 2.16 图中，电源电压有效值为 20V，问晶闸管承受的正反向电压最高是多少？
考虑安全裕量为 2，其额定电压应如何选取？
VT
AC
10Ω
题 2.16 图
正反向电压最高是 20 2V ，考虑安全裕量，额定电压选取 40 2V
2.17 如图所示，U 为正弦交流电 u 的有效值，VD 为二极管，忽略 VD 的正向压降及 反向电流的情况下，说明电路工作原理，画出通过 R1 的电流波形，并求出交流电压表 V 和 直流电流表 A 的读数。