(完整版)作业第一章

第一章：

1-1功率二极管在电力电子电路中有哪些用途?

答：这种电力电子器件常被用于不可控整流、电感性负载回路的续流、电压源型逆变电路提供无功路径以及电流源型逆变电路换流电容与反电势负载的隔离等场合。（一个理想的功率半导体器件、应该具有好的静态和动态特性，在截止状态时能承受高电压且漏电流要小；在导通状态时，能流过大电流和很低的管压降；在开关转换时，具有短的开、关时间；通态损耗、断态损耗和开关损耗均要小。同时能承受高的di/dt 和du/dt以及具有全控功能。）

1-2说明晶闸管的基本工作原理。在哪些情况下，晶闸管可以从断态转变为通态?已处于通态的晶闸管，撤除其驱动电流为什么不能关断，怎样才能关断晶闸管?

答：基本工作原理：晶闸管是一个具有P1—N1—P2—N2四层半导体的器件，内部形成有三个PN结J1、J2、J3，晶闸管承受正向阳极电压时，其中J1、J3承受反向阻断电压，J2承受正向阻断电压。这三个PN 结的功能可以看作是一个PNP型三极管VT1（P1—N1—P2）和一个NPN型三极管VT2（N1—P2—N2）构成的复合作用，可以看出，两个晶体管连接的特点是一个晶体管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极电流I g流入时，两个相互复合的晶体管电路就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，也即晶闸管的导通。当晶闸管承受正向阳极电压但门极电压为零时，I g＝0。由于漏电流很小，I a、I c也很小，致使α1、α2很小。由式（1-3）可见，此时I a≈I c0，为正向漏电流，晶闸管处于正向阻断状态，不导通。

当晶闸管承受正向阳极电压而门极电流为I g时，特别是当I g增大到一定程度的时候，等效晶体管VT2的发射极电流I e2也增大，致使电流放大系数α2随之增大，产生足够大的集电极电流I c2＝α2I e2。由于两等效晶体管的复合接法，I c2即为VT1的基极电流，从而使I e1增大，α1也增大，α1的增大将导致产生更大的集电极电流I c1流过VT2管的基极，这样强烈的正反馈过程将导致两等效晶体管电流放大系数的迅速增加。当（α1+α2）≈1时，式（1-3）表达的阳极电流I a将急剧增大，变得无法从晶闸管内部进行控制，此时的晶闸管阳极电流I a完全由外部电路条件来决定，晶闸管此时已处于正向导通状态。

正向导通以后，由于正反馈的作用，可维持1-（α1＋α2）≈ 0。此时即使I g＝0也不能使晶闸管关断，说明门极对已导通的晶闸管失去控制作用。

为了使已导通的晶闸管关断，唯一可行的办法是使阳极电流I a减小到维持电流以下。因为此时α1、α2已相应减小，内部等效晶体管之间的正反馈关系无法维持。当α1、α2减小到1-（α1+α2）≈1时，I a ≈I c0，晶闸管恢复阻断状态而关断。

如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管VT1、VT2均处于反压状态，无论有无门极电流I g，晶闸管都不能导通。

1）只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。

2）晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的正向脉冲电压即可，脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。这个脉冲常称之为触发脉冲。

3）要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数值之下（约几十毫安）。这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。这个能保持晶闸管导通的最小电流称为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。

1-3．把一个晶闸管与灯泡串联，加上交流电压，如图1-37所示

问：（1）开关S闭合前灯泡亮不亮？

（2）开关S闭合后灯泡亮不亮？

3）开关S闭合一段时间后再打开，断开开关后灯泡亮不亮？原因是什

么？图 1-37

答：1）开关S闭合前，灯泡不亮；因为晶闸管门极没有正向门极电压，故晶闸管不能导通。

2）开关S闭合后灯泡亮；因为此时晶闸管门极加上了正向电压，而U2为交流电源，故只有当晶闸管阳极承受正向电压时，晶闸管才导通，当晶闸管阳极电压为负时，不导通；但在电源为工频交流的情况下，灯泡表现为始终亮。

3）开关S闭合一段时间后，再打开，灯泡不亮；因为当晶闸管阳极电压为负时，即使有正向的门极电压，也会使晶闸管很快关断（晶闸管关断时间只有约40us）；打开S后，即使晶闸管阳极承受正向电压，但因为门极没有正向电压，故晶闸管也不导通。

1-4．在夏天工作正常的晶闸管装置到冬天变得不可靠，可能是什么现象和原因？冬天工作正常到夏天变得不可靠又可能是什么现象和原因？

答：夏天工作正常、冬天工作不正常的原因可能是电路提供的触发电流偏小，夏天勉强能触发，到冬天则就不能满足对触发电流的要求了。冬天正常、夏天不正常的原因可能是晶闸管的维持电流小，冬天勉强能关断，到夏天不容易关断；或者，因所选用的晶闸管电压偏低，到夏天管子转折电压与击穿电压值下降，而造成硬开通或击穿。当天热或元件工作温度升高时，UGT，IGT会显著降低；天冷时UGT，IGT 会有所增加。这就造成了同一晶闸管往往夏天易误触发导通而冬天却可能开不通的不正常状态。

1-5．型号为KP100-3，维持电流I H＝4mA的晶闸管，使用在如图1-38电路中是否合理？为什么？（分析时不考虑电压、电流裕量）

(a) (b) (c)

图 1-38 习题5图

解：1）Id=100/50X103=0.002A=2mA

2）I2=220/10=22A,Id=I2/1.57=9.9A>Ih,UTM=220√2=311V>UR,故不能正常工作。

3）Id=150/1=150A>Ih,IT=Id=150A<1.57X100=157A,故能正常工作。

1-17：描述GTR的二次击穿特性。

答：当集电极电压U CE增大到集射极间的击穿电压U CEO时，集电极电流i C将急剧增大，出现击穿现象，这是首次出现正常性质的雪崩现象，称为一次击穿，一般不会损坏GTR器件。一次击穿后如继续增大外加电压U CE，电流i C将持续增长。当达到图示的C点时仍继续让GTR工作时，由于U CE高，将产生相当大的能量，使集电结局部过热。当过热持续时间超过一定程度时，UCE会急剧下降至某一低电压值，如果没有限流措施，则将进入低电压、大电流的负阻区CD段，电流增长直至元件烧毁。这种向低电压大电流状态的跃变称为二次击穿，C点为二次击穿的临界点。所以二次击穿是在极短的时间内（纳秒至微秒级），能量在半导体处局部集中，形成热斑点，导致热电击穿的过程。

1-18：为什么GTR在开关瞬变过程中易被击穿？有什么措施预防？

答;二次击穿在基极正偏（I B＞0）、反偏（I B＜0）及基极开路的零偏状态下均成立，如图1-22b）所示。把不同基极偏置状态下开始发生二次击穿所对应的临界点连接起来，可形成二次击穿临界线。由于正偏时二次击穿所需功率往往小于元件的功率容量P CM，故正偏对GTR安全造成的威胁最大。反偏工作时尽管集电极电流很小，但在电感负载下关断时将有感应电势迭加在电源电压上形成高压，也能使瞬时功率超过元件的功率容量而造成二次击穿。