电力电子技术课后题答案

0-1.什么是电力电子技术?电力电子技术是应用于电力技术领域中的电子技术；它是以利用大功率电子器件对能量进行变换和控制为主要内容的技术。

国际电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会对电力电子技术的定义为：“有效地使用电力半导体器件、应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。

”0-2.电力电子技术的基础与核心分别是什么?电力电子器件是基础。

电能变换技术是核心.0-3.请列举电力电子技术的 3 个主要应用领域。

电源装置;电源电网净化设备;电机调速系统;电能传输和电力控制;清洁能源开发和新蓄能系统;照明及其它。

0-4.电能变换电路有哪几种形式?其常用基本控制方式有哪三种类型?AD-DC整流电;DC-AC逆变电路;AC-AC交流变换电路;DC-DC直流变换电路。

常用基本控制方式主要有三类：相控方式、频控方式、斩控方式。

0-5.从发展过程看，电力电子器件可分为哪几个阶段? 简述各阶段的主要标志。

可分为：集成电晶闸管及其应用；自关断器件及其应用；功率集成电路和智能功率器件及其应用三个发展阶段。

集成电晶闸管及其应用：大功率整流器。

自关断器件及其应用：各类节能的全控型器件问世。

功率集成电路和智能功率器件及其应用：功率集成电路（PIC），智能功率模块（IPM）器件发展。

0-6.传统电力电子技术与现代电力电子技术各自特征是什么?传统电力电子技术的特征：电力电子器件以半控型晶闸管为主，变流电路一般为相控型，控制技术多采用模拟控制方式。

现代电力电子技术特征：电力电子器件以全控型器件为主，变流电路采用脉宽调制型，控制技术采用PWM数字控制技术。

0-7.电力电子技术的发展方向是什么?新器件：器件性能优化，新型半导体材料。

高频化与高效率。

集成化与模块化。

数字化。

绿色化。

1-1.按可控性分类，电力电子器件分哪几类?按可控性分类，电力电子器件分为不可控器件、半控器件和全控器件。

1-2.电力二极管有哪些类型?各类型电力二极管的反向恢复时间大约为多少?电力二极管类型以及反向恢复时间如下：1）普通二极管，反向恢复时间在5us以上。

2）快恢复二极管，反向恢复时间在5us以下。

快恢复极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。

前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者在100ns 以下，甚至达到20~30ns，多用于高频整流和逆变电路中。

3）肖特基二极管，反向恢复时间为10～40ns。

1-3.在哪些情况下，晶闸管可以从断态转变为通态? 维持晶闸管导通的条件是什么?1、正向的阳极电压；2、正向的门极电流。

两者缺一不可。

阳极电流大于维持电流。

1-4.已处于通态的晶闸管，撤除其驱动电流为什么不能关断，怎样才能使晶闸管由导通变为关断?已处于通态的晶闸管在内部已形成强烈的正反馈，即使撤去其驱动电流，会仍然维持导通的状态。

因此晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极的电压和驱动电流对管子随后的导通或关断均不起作用。

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。

1-6.根据 GTO 的关断原理，说明:GTO 和普通晶闸管同为 PNPN 结构，为什么 GTO能够通过门极控制关断，而普通晶闸管不能?GTO 之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为GTO 与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：1）在设计GTO时使其α2较大，这样，晶体管VT2控制灵敏，使GTO容易关断。

2）由于GTO的内部包含着许多共阳极的小GTO单元，GTO元阴极面积小，门极和阴极间的距离短，P2基区的横向电阻小，可以从门极抽出更大的电流。

3）GTO导通时，双晶体管模型中的2个晶体管共基极电流放大倍数之和α1+α2大于1且近似等于1（1.05左右），因而处于临界饱和导通状态，若要关断GTO，可用抽出部分阳极电流的办法破坏其临界饱和状态，使GTO用门板负信号关断。

SCR的α1+α2比1大（大约为1.15），SCR导通后处于深度饱和状态，因而用门极负脉冲不足以使α1+α2达到小于1的程度，因而也就不能用门极负信号去关断阳极电流。

这是GTO与SCR的一个极为重要的区别。

1-7.关于 GTR，请回答如下两个问题:1)描述 GTR 的二次击穿特性。

2)为什么 GTR 在开关瞬变过程中易被击穿?有什么预防措施?1）当GTR集射极间的电压升高至击穿电压BUceo时，发生一次击穿，此时集电极电流急速增加，如果有外接电阻限制集电极电流的增长，一般不会引起晶体管特性变坏；一次击穿发生时，如果对集电极电流不加限制，集电极电流继续增加，集射极间的电压陡降，就会导致破坏性的二次击穿。

所以，二次击穿是在器件发生一次击穿后，在某电压和电流点产生向低阻抗区高速移动的负阻现象。

2）GTR的安全工作区较窄，当GTR在工作过程中所承受的电压电流都较大时，超出安全工作区域，那么GTR在开关瞬变过程中易被击穿。

预防措施就是加辅助电路，确保GTR所承受的电压电流在安全工作区域之内。

1-8.如何防止电力 MOSFET 因静电感应应起的损坏?1.一般在不用时将三个电极短接；2.装配时，人体、工作台、电烙铁必须接地，测试时所有的仪器外壳必须接地；3.电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高；4.漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。

1-9.比较电力 MOSFET 与 IGBT 内部结构，说明电力 MOSFET 在开关特性上的优点。

内部结构相似之处：IGBT内部结构包含了MOSFET内部结构。

内部结构不同之处：IGBT内部结构有注入P区，MOSFET内部结构则无注入P区。

开关特性的相似之处：IGBT开关大部分时间由MOSFET运行，特性相似。

开关特性的不同之处：IGBT的注入P区有电导调制效应，有少子储存现象，开关慢，所以，电力MOSFET开关速度快。

1-10.作为开关使用时，IGBT 有哪些优点?IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身，既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型，又具有通态压降低，高电压、大电流的优点。

1-12.试说明 IGBT、GTR、GTO 和电力 MOSFET 各自的优缺点。

I GBT优点：开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小。

缺点：开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO。

GTR优点：耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低。

缺点：开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。

GTO优点：电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强。

缺点：电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低。

电力MOSFET优点：开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题。

缺点：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

1-13.试分析电力电子集成技术可以带来哪些益处。

智能功率模块与功率集成电路实现 集成的思路有何不同?带来的益处：装置体积减小、可靠性提高、使用方便、维护成本低。

智能功率模块与功率集成电路实现集成的思路的不同：前者是将一系列的器件集成为一个模块来使用（封装集成），而后者则是将所有的东西都集成于一个芯片当中（芯片集成）。

1-14.IGCT 与 GTO、IGBT 相比，有哪些特点?1.保留了GTO阻断电压高（6kV）、导通电流大（6kA）的优点；2.在相同运行功率条件下，开关频率比GTO更高，可达到1kHz，开关损耗降低，约为GTO的一半。

3.由于采用了很薄的缓冲层和可穿透发射区结构，所以通态压降小，通态损耗几乎可以忽略不计，有利于器件的保护。

4.GTO关断时需要一个庞大的缓冲电路。

而IGCT可承受很大的du/dt的冲击，无需缓冲电路。

逆变器结构设计的比IGBT还要简单，与传统的GTO相比，元器件数减少一半以上，系统更加简单、可靠。

5.器件与器件之间的开关过程一致性好，所以，可以容易地实现IGCT的串并联，扩大其功率使用范围。

6.电压等级高于IGBT，现有IGCT的电压等级为4.5kV和6kV。

1-15.请说出 3 种硅材料制成的电流控制电力电子器件、3 种硅材料制成的电压控制电力电子器件和 3 种碳化硅材料制成的电力电子器件。

硅材料电流控制电力电子器件：SCR，GTO，GTR硅材料电压控制电力电子器件：MOSFET、IGBT、IECT、SIT、SITH、MCT碳化硅电力电子器件：现在，二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT都已经有对应的碳化硅产品。

2-1.电力电子器件的驱动电路对整个电力电子装置影响有哪些?采用性能良好的驱动电路，可以使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的奴性效率、可靠性和安全性都有重要的意义。

2-2.驱动电路的基本任务有哪些?按控制目标的要求施加开通或关断的信号。

对半控型器件只需提供开通控制信号。

对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。

除此之外，驱动电路一般还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。

2-3.为什么要对电力电子主电路和控制电路进行电气隔离?其基本方法有哪些? 为了防止主电路和控制电路之间的干扰。

其基本方法有光隔离和磁隔离。

光隔离一般采用光电耦合器，有普通、高速和高传输比三种类型，输入为高电平时，输出为低电平，磁隔离的元件通常是脉冲变压器。

2-4.由晶闸管构成的主电路对触发脉冲一般要求有哪些?1.触发信号应有足够大的功率。

2.触发脉冲的同步及足够的移相范围3.触发脉冲信号应有足够的宽度，且前沿要陡4.应能产生强触发脉冲5.应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离2-6.画出 GTO 理想的门极驱动电流波形，并说明门极开通和关断脉冲的要求。

为使被触发的晶闸管能保持住导通状态，晶闸管的阳极电流必须在触发脉冲消失前达到擎住电流，因此要求出发脉冲应具有一定宽度而不能过窄。

特别是当负载为感性负载时，因此电流不能突变，更需要较宽的出发脉冲。

具体要求：t1小于1µs，t1〜t2强脉宽度，I M达到3～5倍I GT。

t3为脉冲宽度，应大于550µs ，I为1.5～2倍I GT左右。

2-7.说明电力场效应晶体管栅极驱动电路的一般要求。

1. 具有较小的输出电阻；2. 开通时，栅源极驱动电压一般取10～15V；3. 关断时，一般加负驱动电压；4. 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。