电力电子技术第2章-习题---答案.docx

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第2/9章 电力电子器件课后复习题
第1部分：填空题
1. 电力电子器件是直接用于主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件。
2. 主电路是在电气设备或电力系统中，直接承担电能变换或控制任务的电路。
3. 电力电子器件一般工作在开关状态。
4. 电力电子器件组成的系统，一般由 控制电路、驱动电路、主电路三部分组成, 由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加 保护电路。
5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：不可控器件、半控型器件 和全控型器件。
6. 按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：电流驱动型和 电
压驱动型。
7. 电力二极管的工作特性可概括为单向导电性°
8. 电力二极管的主要类型有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。
9. 普通二极管乂称整流二极管多用于开关频率不高，一般为 IK Hz以下的整流电路。其 反向恢复时间较长，一般在5us以上。
10. 快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在5*以下。
11. 肖特基二极管的反向恢复时间很短,其范围一般在1()〜4()ns之间。
12. 晶闸管的基本工作特性可概括为：承受反向电压时，不论是否触发，晶闸管都不会导 通；承受正向电压时，仅在门极正确触发情况下,晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通,
门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降至维持电流以下。
13. 通常取晶闸管的4bRM和依皿中 较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取 为正常工作时晶闸管所承受峰值电压 2~3 倍。
14. 使晶闸管维持导通所必需的最小电流称为 维持电流°晶闸管刚从断态转入通态并移除 触发信号后，能维持导通所需的最小电流称为擎住电流。对同一晶闸管来说，通 常瓦约为用的称为2〜4倍。
15. 晶闸管的派生器件有：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管°
百微秒
16. 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒,高频晶闸管10微秒左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额不易做高。
17. 向—晶闸管可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。
18. 逆导晶闸管是将 晶闸管 反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。
19. 光控晶闸管乂称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触 发保证了主电路与控制电路之间的 绝缘，且可避免电磁干扰的影响。
20. GT0的多元—结构是为了便于实现门极控制关断而设计的。
21.
GTO的开通控制方式与晶闸管相似，但是可以通过在门极 施加负的脉冲电流使其关断。
22. GT0导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅，导通时管压降较高。
23. GT0最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值之比称为 电流关断增益，该值 一般很小，只有 5 左右,这是GTO的一个主要缺点。
24. GTR导通的条件是：集电结正向偏置且 基极施加驱动电流。
25. 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，在开关过程中，在饱和区和截止区之间
过渡时，要经过放大区。
26. 电力M0SFET导通的条件是：漏源极间加正电且栅源极间加大于开启电压的正电压°
27. 电力M0SFET的漏极伏安特性中的三个区域与GTR共发射极接法时的输出特性中的三个区 域有对应关系，其中前者的截止区对应后者的截止区、前者的饱和区对应后者的卫 大区、前者的非饱和区对应后者的放大区°
28. 电力M0SFET的通态电阻具有 正 温度系数。
29. IGBT是由MOSFET和 GTR两类器件取长补短结合而成的复合器件。
30. IGBT导通的条件是：集、射极间加正电且栅、射极间加大于开启电压的正电压。
31. IGBT的输出特性分为三个区域，分别是：正向阻断区,有源区和饱和区。 IGBT的开关过程，是在正向阻断区和饱和区之间切换。
32. IGCT由IGBT和 GTO两类器件结合而成的复合器件,目前正在与IGBT等新型
器件激烈竞争，试图最终取代在大功率场合的位置。
33. 将多个电力电子器件封装在一个模块中，称为 功率模块。
34. 与单管器件相比，功率模块的优点是：体积小、成本低、可靠性高。
35. 功率集成电路将功率器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制 作在同一芯片上。
36. 功率集成电路实现了电能和信息的集成,成为机电一体化的理想接。
37. 按照载流子参与导电的情况，可将电力电子器件分为：单极型、 双极型和 混合型（复合型）三类。
38. 在如下器件：电力二极管（Power Diode）、晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GT0）、 电力晶体管（GTR）、电力场效应管（电力M0SFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）中， 属于不可控器件的是电力二极管，
属于半控型器件的是SCR,
属于全控型器件的是GTO, GTR,电力MOSFET, [GBT, 属于单极型电力电子器件的有电力M0SFET, 属于双极型器件的有电力二极管，SCR , GTO, GTR, 属于复合型电力电子器件得有IGBT,
在可控的器件中，容量最大的是IGBT,
工作频率最高的是电力M0SFET, 属于电压驱动的是 电力M0SFET, :[GBT,
属于电流驱动的是SCR, GTO, GTR°
39. 画出下面电力电子器件的电气符号。
电力二极管
GTR 电力场效应管 IGBT
ZPN型 GTR z沟道MOSFET N-IGBT

第2部分：简答题
1. 电力电子器件是如何定义和分类的？同处理信息的电子器件相比，它的特点是什么？
答：电力电子器件是直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。它分为电真 空器件和半导体器件（主要是硅半导体）。电力半导体器件按照控制程度可分为不控型器件, 半控型器件，全控型器件。按驱动电路：电流驱动型，电压驱动型。
电力电子器件同处理信息的电子器件相比，它的特点是：
1）处理电功率的能力一般远大于处理信息的电子器件。
2）电力电子器件一般都工作在开关状态。
3）电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。
4）电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。
2. 使晶闸管导通的条件是什么？
答：晶闸管导通的条件有2个，缺一不可，即:
1）阳极与阴极之间加上正向电压；
2）门极与阴极之间加上适当的正向电压。
3. 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：晶闸管导通的条件是阳极电流大于维持电流。使阳极电流小于维持电流才能使晶闸 管由导通变为关断
4. GT0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和普通品闸管同为PNPN结构，由P|NiP2和NRN2构成两个晶体管Vi、V2,分 别具有共基极电流增益％和a?，由普通晶闸管的分析可得，％+。2=1是器件临界导通 的条件。两个等效晶体管过饱和而导通；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与普通品闸管在设计和 工艺方面有以下儿点不同：
1) GTO在设计时％较大，这样品体管V?控制灵敏，易于GTO关断；
2) GTO导通时的a(+a2更接近于1,普通晶闸管«(+«,>1.15,而GTO则为 Q|+%q1.()5, GTO的饱和程度不深，接近「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。
5. 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，开美损耗小，具有耐脉 冲电流冲击的能力，通态压降校低， 输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率 小
升关速度低于电力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 驱动助率大，驱动电路复杂，存 在二次击穿问题
GTO
由压、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

第3部分：计算题
1. 晶闸管在单相正弦有效值电压220V时工作，若考虑晶闸管的安全裕量，其电压定额应选多 大？
答：考虑2倍安全裕量，有
Unf =2x^2 x220 = 622 V,故选电压定额为 7V。
2. 流经晶闸管的电流波形如题图1所示，其电流最大值为加。试计算电流波形的平均值、有效 值。若取安全裕量为2,问额定电流为1A的晶闸管，其允许通过的电流平均值和最大值 为多少？
0 2L A 2 JI
3
题图1流经晶闸管的电流波形

2.解：设电流波形最大值为八3
平均值为：妇==邛）波=M『sin 0dO = （cos§- cosQ = = = I/ 0.241/
土+知=。45"
L7T *33L7T 4刀
有效值为:妇效=、*「网）r戒=I七0败岫= 若安全裕量2,则IT（Ay =1/1= >0A^
丁有效—1.570（砂）=1.57x50 = "8.5&
允许通过的电流最大值：乙=宣=17^4
0.451
允许通过的电流平均值！ ^ = 0.24x175 = 424^
3. 题图2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加，试计 算各图波形的电流平均值知、/d2>四与电流有效值/3、/3、人。如果不考虑安全裕量，问1A 的晶闸管能送出的最大平均电流即、屈、沽为多少？这时，相应的电流最大值/ml、屁、 加3为多少？
解：a)
1 fT[
小五顼袂如伽)=成
+ 1）^0.27177^

b）

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/d2=- n sinm伽）= ^-（—+ 1）^0.5434/ni n J7k 2
'广j!」；（九而1知尸d （血）定°・6741/m

额定电流/T(AV)=1A的晶闸管,
a）
扁、0,4767
u 329.35,
b）
0.6741
*232.90,
c）琨=2/ = 314,
允许的电流有效值7=157A.由上题计算结果知
/di« 0.2717 7mi *89.48
/妃=0.5434 卷 4 12656
/心=：扁=78.5
4