目录 第1章电力电子器件 第2章整流电路… 第3章直流斩波电路 第4章交流电力控制电路和交交变频电路… 第5章逆变电路 第6章PWM控制技术 第7章软开关技术 40 第8章组合变流电路 42 PdfcreatedwithpdffactorYProtrialversionwww.pdffactory.com
目 录 第 1 章 电力电子器件 ········································································· 1 第 2 章 整流电路·················································································· 4 第 3 章 直流斩波电路 ·······································································20 第 4 章 交流电力控制电路和交交变频电路··································26 第 5 章 逆变电路················································································31 第 6 章 PWM 控制技术·····································································35 第 7 章 软开关技术············································································40 第 8 章 组合变流电路 ·······································································42 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
第1章电力电子器件 使晶闸管导通的条件是什么? 答:使晶闸管导通的条件是:晶闸管承受正向阳极电压,并在门极施加触发电流(脉冲)。 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 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 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。 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 l,试计算各波形的电流平均值la、l、l与电流有效值l1、l2、l3 图1-43晶闸管导电波形 解:a) ldt , sinad(or)=(-+1)=0.2717Im y2r o, sinor do 0.4767lm la=g上1 m sinead (o 1)≈0.5434l [ (m sino)' 14 las=2Id(or)=Im 4.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶闸管能送出的平均电流ls、la、ls3各为 PdfcreatedwithpdffactorYProtrialversionwww.pdffactory.com
1 第 1 章 电力电子器件 1. 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。 或：uAK>0 且 uGK>0。 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。 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。 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 Im，试计算各波形的电流平均值 Id1、Id2、Id3与电流有效值 I1、I2、I3。 p 2p 0 0 p p 2p 2p 4 p 4 p 2 5p 4 a) b) c) 0 图 1-43 晶闸管导电波形 解：a) Id1= 2π 1 ò p p w w 4 I sin td( t) m = 2π m I ( 1 2 2 + ) » 0.2717 Im I1= ò p p w w p 4 2 ( sin ) ( ) 2 1 I t d t m = 2 m I 2p 1 4 3 + » 0.4767 Im b) Id2 = π 1 ò p p w w 4 I sin td( t) m = π m I ( 1 2 2 + ) » 0.5434 Im I2 = ò p p w w p 4 2 ( sin ) ( ) 1 I t d t m = 2 2 m I 2p 1 4 3 + »0.6741I c) Id3= 2π 1 ò 2 0 ( ) p I d wt m = 4 1 Im I3 = ò 2 0 2 ( ) 2 1 p w p I d t m = 2 1 Im 4. 上题中如果不考虑安全裕量,问 100A 的晶闸管能送出的平均电流 Id1、Id2、Id3各为 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
多少?这时,相应的电流最大值lm1、lm2、lm各为多少? 解:额定电流IA=100A的晶闸管,允许的电流有效值l=157A,由上题计算结果知 ldu≈0.2717lm1≈8948 0.4767 lm2≈ ≈23290 ldn≈0.5434lm2≈126.56 0.6741 lm=2=314, ld=-lm3=78.5 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和普通晶闸管同为PNPN结构,由PNP2和N1P2N2构成两个晶体管Ⅴ1、V2,分 别具有共基极电流增益α1和∝2,由普通晶闸管的分析可得,a1+∝2=1是器件临界导通 的条件。a1+a2>1,两个等效晶体管过饱和而导通;ax1+a2<1,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α2较大,这样晶体管V2控制灵敏,易于GTO关断; 2)GTO导通时的α1+α2更接近于1,普通晶闸管a1+a2≥1.15,而GTO则为 α1+αx2≈1.05,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。 6.如何防止电力 MOSFET因静电感应应起的损坏? 答:电力 MOSFET的栅极绝缘层很薄弱,容易被击穿而损坏。 MOSFET的输入电容是低 泄漏电容,当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过±20的击穿电压,所以为防止 MOSFET因静电感应而引起的损坏,应注意以下几点 ①一般在不用时将其三个电极短接 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。 7.IGBT、GTR、GTO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 PdfcreatedwithpdffactorYProtrialversionwww.pdffactory.com
2 多少？这时，相应的电流最大值 Im1、Im2、Im3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) Im1 » 0.4767 I »329.35， Id1 » 0.2717 Im1 »89.48 b) Im2 » 0.6741 I »232.90, Id2 »0.5434 Im2 »126.56 c) Im3=2 I = 314, Id3= 4 1 Im3=78.5 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 和普通晶闸管同为 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a1 和a2 ，由普通晶闸管的分析可得，a1 +a2 =1 是器件临界导通 的条件。a1 +a2 ＞1，两个等效晶体管过饱和而导通；a1 +a2 ＜1，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： 1) GTO 在设计时a2 较大，这样晶体管 V2控制灵敏，易于 GTO 关断； 2) GTO 导通时的a1 +a2 更接近于 1，普通晶闸管a1 +a2 ³ 1.15，而 GTO 则为 a1 +a2 »1.05，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。 6. 如何防止电力 MOSFET 因静电感应应起的损坏？ 答：电力 MOSFET 的栅极绝缘层很薄弱，容易被击穿而损坏。MOSFET 的输入电容是低 泄漏电容，当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过 ± 20 的击穿电压，所以为防止 MOSFET 因静电感应而引起的损坏，应注意以下几点： ① 一般在不用时将其三个电极短接； 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。 7. IGBT、GTR、GTO 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。 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
GTR驱动电路的特点是:驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿,并有一定的过 冲,这样可加速开通过程,减小开通损耗,关断时,驱动电路能提供幅值足够大的反向基 极驱动电流,并加反偏截止电压,以加速关断速度。 GTO驱动电路的特点是:GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅 值和陡度,且一般需要在整个导通期间施加正门极电流,关断需施加负门极电流,幅值和 陡度要求更高,其驱动电路通常包括开通驱动电路,关断驱动电路和门极反偏电路三部分。 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 电路简单。 8.全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么?试分析RCD缓冲电路中各元件的作 用 答:全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压,dd或过电流和did, 减小器件的开关损耗 RCD缓冲电路中,各元件的作用是:开通时,C经R放电,R起到限制放电电流的 作用;关断时,负载电流经VD从Cs分流,使 dude减小,抑制过电压。 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 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,开关速度低于电力 MOSFET,电 IGBT 输入阻抗高,为电压驱动,驱动功率|压,电流容量不及GTO 耐压高,电流大,开关特性好,通流 开关速度低,为电流驱动,所需 GTR 驱动功率大,驱动电路复杂,存 能力强,饱和压降低 在二次击穿问题 电流关断增益很小,关断时门极 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 负脉冲电流大,开关速度低,驱 动功率大,驱动电路复杂,开关 频率们 开关速度快,输入阻抗高,热稳定什电流容量小,耐压低,一般只适 好,所需驱动功率小且驱动电路简 MOSFET单,工作频率高,不存在二次击穿问 用于功率不超过10W的电力电 子装置 PdfcreatedwithpdffactorYProtrialversionwww.pdffactory.com
3 GTR 驱动电路的特点是：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过 冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗，关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基 极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。 GTO 驱动电路的特点是：GTO 要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够的幅 值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和 陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。 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。 8. 全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么？试分析 RCD 缓冲电路中各元件的作 用。 答：全控型器件缓冲电路的主要作用是抑制器件的内因过电压，du/dt 或过电流和 di/dt， 减小器件的开关损耗。 RCD 缓冲电路中，各元件的作用是：开通时，Cs经 Rs放电，Rs起到限制放电电流的 作用；关断时，负载电流经 VDs从 Cs分流，使 du/dt 减小，抑制过电压。 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 GTR 耐压高，电流大，开关特性好，通流 能力强，饱和压降低 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 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 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 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 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
第2章整流电路 1.单相半波可控整流电路对电感负载供电,L=20mH,U2=100V,求当α=0°和60° 时的负载电流l,并画出l与a波形 解:α=0°时,在电源电压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l2的一个周期里,以下方程均成立: dua=√2U, sin at 考虑到初始条件:当o=0时i=0可解方程得: (-cosor)(or) 2 2U2 L l与a的波形如下图 当α=60°时,在砌正半周期60°~180°期间晶闸管导通使电感L储能,电感L储藏的 能量在n负半周期180°~300°期间释放,因此在一个周期中60°~300°期间以下微分方程 成立 d 考虑初始条件:当o=60时i=0可解方程得: 2U2 PdfcreatedwithpdffactorYProtrialversionwww.pdffactory.com
4 第 2 章 整流电路 1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电，L＝20mH，U2＝100V，求当α＝0°和 60° 时的负载电流 Id，并画出 ud与 id波形。 解：α＝0°时，在电源电压 u2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 u2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 u2的一个周期里，以下方程均成立： U t t i L 2 sinw d d 2 d = 考虑到初始条件：当wt＝0 时 id＝0 可解方程得： (1 cos ) 2 2 d t L U i w w = - ò = - p w w p w 2 0 2 d (1 cos )d( ) 2 2 1 t t L U I = L U w 2 2 =22.51(A) ud与 id的波形如下图： 0 p 2p wt u2 0 p 2p wt ud 0 p 2p wt i d 当α＝60°时，在 u2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 u2负半周期 180°~300°期间释放，因此在 u2一个周期中 60°~300°期间以下微分方程 成立： U t t i L 2 sinw d d 2 d = 考虑初始条件：当wt＝60°时 id＝0 可解方程得： cos ) 2 1 ( 2 2 d t L U i w w = - PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com