袁燕 电力电子技术习题答案

图 1-40 习题 1-13 图
解：ud 的波形如下：
习题 1-13 题解图
1-14 用万用表怎样区分晶闸管的阳极 A、 阴极 K 和门极 G？判别晶闸管的好坏有哪些简单 实用的方法？ 答：可用万用表测量晶闸管三个电极之间的电阻来区分晶闸管的阳极、阴极和门极。正常情 况下管子阳极与阴极之间的正反向电阻接近无穷大，门极与阴极之间的电阻值约为几百欧， 且 G-K 之间的阻值略小于 K-G 之间的阻值。 判断晶闸管好坏的方法有：
习题 2-1 题解图
2-2 可控整流电路带纯电阻负载时， 负载电阻上的 Ud 与 Id 的乘积是否等于负载功率？带大 电感负载时，负载电阻上的 Ud 与 Id 的乘积是否等于负载功率？为什么？ 答：可控整流电路带纯电阻负载时，负载功率 P=UI 不等于平均功率 Pd=UdId。因为带电阻 负载时，负载上的电压、电流波形为非正弦周期量，它们除了含有直流分量外，还含有一系 列的谐波成分。 由电路理论可知， 总的有功功率为直流分量功率与各次谐波分量有功功率之 和，即 P=Pd+P1+P2+…。显然，带纯电阻负载时负载功率 P 大于平均功率 Pd。 带大电感负载时，负载功率 P 等于平均功率 Pd。这是因为带大电感负载时，虽然负载 上的电压 ud 波形为非正弦周期量，但负载电流 id 波形近似为恒定的直流，无谐波分量。由 于各谐波分量的有功功率 P1、 P2、 …均为 0， 所以带大电感负载时的负载功率等于平均功率， 即 P = Pd = Ud Id 。 2-3 某单相全控桥式整流电路给电阻性负载供电和给大电感负载供电，在流过负载电流平 均值相同的条件下，哪一种负载的晶闸管额定电流应选大一些，为什么？ 答：在流过负载电流平均值相同的条件下，供电给电阻负载时晶闸管额定电流应选大一些。 因为给大电感负载供电时， 负载电流近似为恒定的直流， 负载电流有效值等于负载电流平均 值，即 I=Id；给电阻负载供电时，负载电流有效值 I=Kf× Id，其中波形系数 Kf >1，显然带电
2

I T ( RMS) 0.45I T ( RMS)
=222（A）
故
IT(RMS)=
I T ( AV) 0.45
即，可用额定电流为 222A 的双向晶闸管等效代替两只 100A 的普通晶闸管反并联。 1-17 说明 GTO 的开通和关断原理。与普通晶闸管相比较有何不同？ 答：GTO 的导通原理与普通晶闸管完全相同（双晶体管模型分析） ，但关断原理与普通晶闸 管不同。由于 GTO 是一种多元功率集成器件，它采用了特殊的制造工艺和结构，其内部包 含数十个甚至数百个共阳极的小 GTO 元，这些小 GTO 元的存在为实现门极控制关断提供 了必要条件。另一方面由于设计器件时 α1+α2≈1.05，使器件导通后接近临界饱和状态（普通 晶闸管导通后处于深饱和状态） ， 从而为门极控制关断提供了有利条件。 所以 GTO 在门极负 脉冲电流作用下能很快从门极抽取电流，使器件迅速退出饱和而实现关断。 1-18 什么叫 GTR 的一次击穿、二次击穿？有什么后果？ 答：一次击穿是指集电极电压升高到击穿电压时，集电极电流迅速增大，首先出现的雪崩击 穿的现象。 若一次击穿发生时未有效地限制电流， 集电极 Ic 增大到某个临界点突然急剧上升， 同时 电压 UCE 陡然下降，出现负阻效应，这种现象称为二次击穿。 二次击穿发生后， 在极短的时间内会在器件内部出现明显的电流集中和过热点， 将会导 致器件的永久性损坏。
(a)
来自百度文库(b)
图 1-39 习题 1-11 图
(c)
解： （a）I=100/50=2（mA） ，因 I<IH，而 IH<IL（掣住电流） ，故 I<<IL，即使有门极触发脉冲， 晶闸管也无法导通，所以不合理。
（b）最大输出平均电压为 Ud=0.45U2=99（V） 最大输出平均电流为 Id=Ud/R=9.9（A） 实际流过晶闸管的最大电流有效值为 IT =1.57× 9.9=15.5（A） KP100-3 晶闸管允许流过的电流有效值为 I= 157A，显然，IT <I，所以电流指标合理。 实际晶闸管所承受的最大电压为 UTM= 2 ×U 2 =311（V）
I 232.90（A） 0.6741
I 314（A） 0 .5
Id2 0.5434 Im2 126.56（A） Id3 1/4Im3 78.5（A）
1-11 型号 KP100-3、维持电流 IH=4mA 的晶闸管,使用在图 1-39 所示电路中是否合理,为什 么?（不考虑电压、电流裕量）
1-19 试说明 GTR 与 P-MOSFET 各自的优缺点。 答：GTR 与 P-MOSFET 比较： GTR 的优点是通流能力较强，通态压降低，通态损耗小。缺点是驱动功率大，驱动电路复 杂，开关速度较慢，工作频率低。 P-MOSFET 的优点是输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，开关速度较快，工作频率 高。缺点是通流能力较差，通态压降较高，通态损耗大，电压、电流定额低。 1-20 IGBT 有何特点？ 答：IGBT 集 GTR 与 P-MOSFET 的优点于一体，具有输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路 简单，工作频率高，安全工作区范围大，耐冲能力强等特点。 1-21 IGCT 具有哪些特点？ 答：集成门极换向晶闸管 IGCT 的主要特点有：阻断电压高、导通电流大、导通压降低、开 关损耗小、关断时间短（小于 3μs）等。 1-22 全控型电力电子器件 GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT 哪些属于电流驱动型？哪些属 于电压驱动型？ 答：GTO 和 GTR 属于电流驱动型；P-MOSFET 和 IGBT 属于电压驱动型。 1-23 GTR 对基极驱动电路有哪些基本要求？ 答：GTR对基极驱动电路一般应有以下基本要求： 1）提供合适的正反向基极电流，以保证GTR能可靠导通与关断。 2）实现主电路与控制电路之间的电气隔离，以保证电路安全并提高抗干扰能力。 3）应具有自动快速保护功能。 1-24 P-MOSFET 对栅极驱动电路有哪些基本要求？ 答：P-MOSFET对栅极驱动电路的要求是： 1）触发脉冲的前后沿要陡。 2）栅极充放电回路的电阻值要小，以提高电力MOSFET的开关速度。 3）触发脉冲电压应大于开启电压，以保证电力MOSFET能可靠开通。 4）在截止时应提供负栅源电压，以防止电力MOSFET误导通。 5）工作时不能超过栅极电压最大值（一般为± 20V），否则会造成栅极击穿，元件损坏。 1-25 IGBT 对栅极驱动电路有哪些基本要求？ 答：IGBT对栅极驱动电路的要求是： 1）触发脉冲的前后沿要陡，且幅值要足够。一般+UGE为+12V~ +15V，-UGE为-5V~ -10V。 2）IGBT开通后，应提供足够的功率，使IGBT在正常工作及过载时不致退出饱和而损坏。 3）应有合理的栅极电阻RG。一般小容量的IGBT选取的RG值较大，取值范围为1~400Ω。 4）应有较强的抗干扰能力及对 IGBT 的自保护功能。 1-26 驱动电路的隔离有什么作用？常用的驱动电路隔离方法有哪两种？ 答：由于主电路的电压较高，而控制电路的电压一般较低，所以，驱动电路必须与主电路之 间有良好的电气隔离，从而保证驱动控制电路的安全和提高抗干扰能力。
电力电子技术习题答案
第 1 章 电力电子器件
1-1 晶闸管具有 可控的单向导电 导电特性。 1-2 在型号为 KP10-12G 中， 数字 10 表示_额定电流 10A ， 数字 12 表示 额定电压 1200V。 1-3 下列元器件中，_B__属于不可控型，_DEGH_属于全控型，_ACF 属于半控型。 A.普通晶闸管 B.整流二极管 C.逆导晶闸管 D.大功率晶体管 E.绝缘栅场效应晶体管 F.双向晶闸管 G.可关断晶闸管 H.绝缘栅极双极型晶体管
图 1-38 习题 1-9 图
解：
1-10 上题中如果不考虑安全裕量，问 100A 的晶闸管允许通过的平均电流各为多少？ 解：额定电流 IT(AV) =100A 的晶闸管，允许的电流有效值 I =157A，由上题计算结果知： I 329.35（A） a) Im1 Id1 0.2717 Im1 89.48（A） 0.4767 b) Im2 c) Im3
常用的驱动电路隔离方法有两种：光电隔离和磁隔离。光电隔离通常采用光电耦合器， 磁隔离通常采用脉冲变压器。
第 2 章 晶闸管可控整流电路
2-1 单相半波可控整流电路中，试分析以下三种情况下负载两端电压 ud 和晶闸管两端电压 uT 的波形。 （1）晶闸管门极不加触发脉冲。 （2）晶闸管内部短路。 （3）晶闸管内部断路。 解： （1）晶闸管门极不加触发脉冲，即呈阻断状态，可视为开路，此时 ud=0，uT =u2，ud 和 uT 的波形如图题解 2-1a 所示。 （2）晶闸管内部短路。晶闸管两端电压为零，此时 ud= u2，uT =0，ud 和 uT 的波形如图题解 2-1b 所示。 （3）晶闸管内部断路。ud=0，uT =u2，ud 和 uT 的波形如图题解 2-1c 所示。
1）用万用表可以初步判断好坏，如上各极间阻值状况。 2）用 6V 电源（干电池或直流稳压电源）作阳极电源，接成下图所示电路，若按下开关 Q 后，灯亮，则说明管子是好的。
习题 1-14 题解图
3）用晶体管图示仪测量晶闸管正反向伏安特性。 1-15 双向晶闸管有哪几种触发方式？使用时要注意什么问题？ 答：双向晶闸管共有四种触发方式：Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+、Ⅲ- 。 使用时必须注意以下几个问题： 1） 不能承受较大的电压变化率，因此很难用于感性负载。 2）门极触发灵敏度较低，需较大的门极触发功率。 3）关断时间较长，换向能力较差，因而只能用于低频场合。 1-16 额定电流为 100A 两只普通晶闸管反并联，可用额定电流为多大的双向晶闸管等效代 替？ 解：因 I T ( AV)
1-4 测得某元件 UDRM=840V，URRM=980V，则该元件的额定电压为 800 V，相应的电压等 级为 8 级。 1-5 什么是电力电子技术？电力变换有哪四种基本类型？ 答： 电力电子技术就是利用电力电子器件对电能形态进行变换和控制的一门技术。 电力变换 的四种类型分别是：1）整流：将交流电变换成直流电。2）逆变：将直流电变换成交流电。 3）交流-交流变换：将一种形式的交流电变换成另一种形式的交流电。4）直流-直流变换： 把一恒定的直流电压变换成另一固定或大小可调的直流电压。 1-6 常用的电力电子器件有哪些种类？ 答： 电力电子器件按控制方式的不同可分为三类： 不可控型器件、 半控型器件和全控型器件； 按驱动方式的不同可分为两类： 电流驱动型器件和电压驱动型器件； 按导电机理的不同又可 分为两类：单极性器件和双极型器件。 1-7 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各取决于什么？ 答：晶闸管导通的条件是：阳极与阴极之间加正向电压，同时门极与阴极之间也加正向电压 （门极施加触发电流） 。导通后流过晶闸管的电流取决于外加阳极电源电压及阳极回路阻抗 的大小。负载上的电压近似等于阳极电源电压。 1-8 晶闸管的关断条件是什么？如何实现？晶闸管阻断时其两端电压由什么决定？ 答：晶闸管导通后的自然关断条件是：阳极电流 IA 小于维持电流 IH。实现方法是：1）减小 阳极电源电压或增大阳极回路阻抗。2）去掉阳极电源电压或将阳极电源电压反向。 1-9 图 1-38 中阴影部分表示流过晶闸管的电流波形， 设各波形的峰值均为 Im， 试计算各图中 的电流平均值和电流有效值。
KP100-3 晶闸管额定电压为 300V，显然，UTM >300V，所以电压指标不合理。 （c）晶闸管导通后，流过晶闸管的电流为 Id=IT =150/1=150（A） KP100-3 晶闸管允许流过的电流有效值为 I =157A，显然，IT <I，即电流指标合理。 实际晶闸管所承受的最大电压为 UTM=150V<300V，故电压指标也合理。所以该电路合理。 1-12 说明晶闸管型号规格 KP200-8E 代表的意义。 答：KP200-8E 表示额定电流为 200A、额定电压为 800V、管压降为 0.8V 左右的普通型晶闸 管。 1-13 画出图 1-40 所示电路中负载电阻 Rd 上电压 ud 的波形图。