电力电子技术课后习题答案
第一章电力电子器件
1.1 使晶闸管导通的条件是什么？
答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或者U AK >0且U GK>0
1.2 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。
1.3 图1－43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 m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I1、I2、I3。
解：a) I d1=
Im
2717
.0
)1
2
2
(
2
Im
)
(
sin
Im
2
1
4
≈
+
=
?π
ω
π
π
π
t
I1=
Im
4767
.0
2
1
4
3
2
Im
)
(
)
sin
(Im
2
1
4
2≈
+
=
?π
?
π
π
π
wt
d
t
b) I d2=
Im
5434
.0
)1
2
2
(
2
Im
)
(
sin
Im
1
4
=
+
=
?wt
d t
π
π
?
π
I2=
Im
6741
.0
2
1
4
3
2
Im
2
)
(
)
sin
(Im
1
4
2≈
+
=
?π
?
π
π
π
wt
d
t
c) I d3=
?=
2
Im
4
1
)
(
Im
2
1π
ω
π
t
d
I3=
Im
2
1
)
(
Im
2
1
2
2=
?t
dω
π
π
1.4.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐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
35
.
329
4767
.0
≈
≈
I
A, I d1≈0.2717I m1≈89.48A
b) I m2
,
90
.
232
6741
.0
A
I
≈
≈
I d2
A
I
m
56
.
126
5434
.0
2
≈
≈
c) I m3=2I=314 I d3=
5.
78 4
1
3
=
m
I
1.5.GTO和普通晶闸管同为PNPN结构,为什么GTO能够自关断,而普通晶闸管不能?
答：GTO和普通晶阐管同为PNPN结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2，分别具有共基极电流增益
1α和2α，由普通晶阐管的分析可得，121=+αα是器件临界导通的条件。121＞αα+两个等效晶体管过饱
和而导通；121＜
αα+不能维持饱和导通而关断。 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： l)GTO 在设计时2α较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO 关断；
2)GTO 导通时21αα+的更接近于l ，普通晶闸管5.121≥+αα，而GTO 则为05.121≈+αα，GTO 的饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件；
3)多元集成结构使每个GTO 元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。
1.7.IGBT 和电力MOSFET 的驱动电路各有什么特点?
答：IGBT 驱动电路的特点是:驱动电路具有较小的输出电阻，ⅠGBT 是电压驱动型器件，IGBT 的驱动多采用专用的混合集成驱动器。
电力MOSFET 驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。
1.9.试说明IGBT 、GTR 、GTO 和电力MOSFET 各自的优缺点。 解:对ⅠGBT 、GTR 、GTO 和电力MOSFET 的优缺点的比较如下表：
器件 优点
缺点
IGBT
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。
开关速度低于电力MOSFET ，电压,电流容量不及GTO 。
电力MOSFET
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。
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。
第2章 整流电路
2..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?=0α时和?60时的负载电流I d ，并画出U d 与I d 波形。
解：?=0α时，在电源电压U 2的正半周期晶闸管导通时，负载电感L 储能，在晶闸管开始导通时刻，负载电流为零。在电源电压U 2的负半周期，负载电感L 释放能量，晶闸管继续导通。因此，在电源电压U 2的一个周期中下列方程成立：
t U dt
di L
d
ωsin 22=
考虑到初始条件：当0=t ω时i d =0可解方程：
）－
（＝
t cos 1L U 2I 2
d ωω
?
=
π
ωωωπ
π
20
d )(d t cos 1L U 221
I t ）－（
)(51.22U 22
A L ==
ω
U d 与I d 的波形如下图：
当a=?60时，在U 2的正半周期?60~?180期间，晶闸管导通使电感L 储能，电感L 储藏的能量在U 2负半周期
?180~?300期间释放，因此在U2的一个周期中?60~?300期间，下列微分方程成立：
t U dt di L
d
ωsin 22=
考虑到初始条件：当?=60t ω时i d =0可解方程得：
i d =)cos 21
22t dt U ω－（
其平均值为
I d
=
?=-3
53
2
2)(25.11L 2U 2)()cos 21(221
π
π
ωωωωπA t d t L U ＝
此时U d 与i d 的波形如下图：
2. 2图1为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路,问该变压器还有直流磁化问题吗?试说明:
① 晶闸管承受的最大反向电压为22U 2;
② 当负载是电阻或电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。
答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化问题。因为单相全波可控整流电路变压器二次侧绕组中，在正负半周上下绕组中的电流方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不存在直流磁化的问题。
以下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VT2为例。当VT1导通时，晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕组并联，所以VT2承受的最大电压为22U 2。
②当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角α相同时，对于电阻负载：(O~α)期间无晶闸管导通，输出电压为0；(α~π)期间,单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VTl 、VT4导通，输出电压均与电源电压U 2相等；( π~απ+)期间均无晶闸管导通，输出电压为0；(απ+~2π)期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出电压等于－U 2。
对于电感负载： ( α~απ+)期间，单相全波电路中VTl 导通，单相全控桥电路中VTl 、VT4导通，输出电压均与电源电压U2相等； (απ+~2απ+)期间，单相全波电路中VT2导通，单相全控桥电路中VT2、VT3导通，输出波形等于-U2。
可见，两者的输出电压相同，加到同样的负载上时，则输出电流也相同。
2.3.单相桥式全控整流电路，U 2=100V ，负载中R=20Ω，L 值极大，当α=?30时，要求：
①作出U d 、I d 、和I 2的波形；
②求整流输出平均电压U d 、电流I d ，变压器二次电流有效值I 2； ③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。 解：①U d 、I d 、和I 2的波形如下图：
②输出平均电压U d 、电流I d 、变压器二次电流有效值I 2分别为： U d =0.9U2cos α=0.9×100×cos ?30＝77.97（V ） I d ＝Ud/R=77.97/2=38.99(A) I 2=Id=38.99(A) ③晶闸管承受的最大反向电压为：
2U 2=1002=141.4(V) - 考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：
U N =(2~3)×141.4=283~424(V)
具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。 流过晶闸管的电流有效值为：
I VT =Id/2=27.57(A) 晶闸管的额定电流为：
I N =(1.5~2)×27.57/1.57=26~35(A) 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
2.4.单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。
解：注意到二极管的特点:承受电压为正即导通。因此，二极管承受的电压不会出现正的部分。在电路中器件均不导通的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。整流二极管在一周内承受的电压波形如下：
2.5.单相桥式全控整流电路，U 2 =100V ，负载R=20Ω，L 值极大，反电势E=60V ，当?=30α时，要求：
①作出U d 、I d 和I 2的波形；；
②求整流输出平均电压U d 、电流I d ，变压器二次侧电流有效值I 2； ③考虑安全裕量,确定晶闸管的额定电压和额定电流。 解：①U d 、I d 和I 2的波形如下图：
②整流输出平均电压U d 、电流I d 、变压器二次测电流有效值I 分别为： U d =0.9U 2cos α=O.9×100×cos ?30=77.97(V) I d =(U d 一E)/R=(77.97一60)/2=9(A) I 2=I d =9(A) ③晶闸管承受的最大反向电压为： 2U 2=1002=141.4(V)