电力电子技术
2-1与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得其具有耐受高压和大电流的能力？
答：1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显着提高了二极管的通流能力。
2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区，也称漂移区。低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。
2-2. 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。
2-3. 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：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。
2-4 图2-27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
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
π
I2=
Im
6741
.0
2
1
4
3
2
Im
2
)
(
)
sin
(Im
1
4
2≈
+
=
⎰π
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
2-5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
电子器件有哪些I
≈
≈
I d2A
I
m
56
.
126
5434
.0
2
≈
≈
c) I m3=2I=314 I d3=
5.
78 4
1
3
=
m
I
2-6 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。
2-7 与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得它具有耐受高
电压电流的能力？
答1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显着提高了
二极管的通流能力。
2.电力二极管在P 区和N 区之间多了一层低掺杂N 区，也称漂移区。低掺杂N 区由于掺杂
浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂N 区就可以承受很高的电压而不被击穿。
2-8 试分析IGBT 和电力MOSFET 在内部结构和开关特性上的相似与不同之处
IGBT 比电力MOSFET 在背面多一个P 型层，IGBT 开关速度小，开关损耗少具有耐脉冲电
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。
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。
2-11目前常用的全控型电力电子器件有哪些？
答：门极可关断晶闸管, 电力晶闸管，电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管。
3-1. 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的一个周期里，以下方程均成立：t U t
i L ωsin 2d d 2d = 考虑到初始条件：当?t ＝0时i d ＝0可解方程得：)cos 1(22d t L
U i ωω-= =L U ω22=22.51(A) u d 与i d 的波形如下图：
当α＝60°时，在u 2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u 2一个周期中60?~300?期间以下微分方程成立：
考虑初始条件：当?t ＝60?时i d ＝0可解方程得：)cos 2
1(22d t L U i ωω-= 其平均值为)(d )cos 21(2213532d t t L U I ωωωπππ-=⎰=L
U ω222=11.25(A) 此时u d 与i d 的波形如下图：
3-2．图3-10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
2U；②当负载是电阻或电感时，其输出电题吗？试说明：①晶闸管承受的最大反向电压为22
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的问题。
因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反，
波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题。
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2
2U。
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?相同时，对于电阻负载：（0~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
VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压u2相等；(π~π＋α)期间，均无晶闸管导通，输出电压为
0；(π＋α ~ 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??u2。
对于电感负载：（α ~ π＋α）期间，单相全波电路中VT1导通，单相全控桥电路中VT1、VT4导通，输出电压均与电源电压u2相等；（π＋α ~ 2π＋α）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。
3-3．单相桥式全控整流电路，U2＝100V，负载中R＝2Ω，L值极大，当α＝30°时，要求：①作出ud、id、和i2的波形；②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次电流有效值I2；
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i2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I2分别为
U d＝0.9 U2 cosα＝0.9×100×cos30°＝77.97（V）
I d＝U d /R＝77.97/2＝38.99（A）
I2＝I d＝38.99（A）
③晶闸管承受的最大反向电压为：2U2＝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＝I d∕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。
3-4．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：
3-5．单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当?=30 时，要求：作出ud、id和i2的波形；
①求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2；
②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i2的波形如下图：
②整流输出平均电压U d、电流I d，变压器二次侧电流有效值I2分别为
U d＝0.9 U2 cosα＝0.9×100×cos30°＝77.97(A)
I d＝(U d－E)/R＝(77.97－60)/2＝9(A)
I2＝I d＝9(A)
③晶闸管承受的最大反向电压为：2U2＝1002＝141.4（V）
流过每个晶闸管的电流的有效值为：I VT＝I d ∕2＝6.36（A）
故晶闸管的额定电压为：U N＝(2~3)×141.4＝283~424（V）
晶闸管的额定电流为：I N ＝(1.5~2)×6.36∕1.57＝6~8（A ）
晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
3-6. 晶闸管串联的单相半控桥（桥中VT1、VT2为晶闸管），电路如图2-11所示，U2=100V ，电阻电感负载，R=2Ω，L 值很大，当?=60?时求流过器件电流的有效值，并作出ud 、id 、iVT 、iD 的波形。
解：u d 、i d 、i VT 、i D 的波形如下图：
负载电压的平均值为：2
)3/cos(19.0)(d sin 21232d πωωπππ+==⎰U t t U U ＝67.5（V ） 负载电流的平均值为：I d ＝U d ∕R ＝67.52∕2＝33.75（A ）
流过晶闸管VT 1、VT 2的电流有效值为：I VT ＝
3
1I d ＝19.49（A ） 流过二极管VD 3、VD 4的电流有效值为：I VD ＝3
2I d ＝27.56（A ） 3-7. 在三相半波整流电路中，如果a 相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压ud 的波形。
解：假设︒=0α，当负载为电阻时，u d 的波形如下：
当负载为电感时，u d 的波形如下：
3- 8．三相半波整流电路，可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法，每段的电动势相同，其分段布置及其矢量如图2-60所示，此时线圈的绕组增加了一些，铜的用料约增加10%，问变压器铁心是否被直流磁化，为什么？
图2-60 变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图
答：变压器铁心不会被直流磁化。原因如下：变压器二次绕组在一个周期内：当a 1c 2对应的晶闸管导通时，a 1的电流向下流，c 2的电流向上流；当c 1b 2对应的晶闸管导通时，c 1的电流向下流，b 2的电流向上流；当b 1a 2对应的晶闸管导通时，b 1的电流向下流，a 2的电流向上流；就变压器的一次绕组而言，每一周期中有两段时间（各为120?）由电流流过，流过的电流大小相等而方向相反，故一周期内流过的电流平均值为零，所以变压器铁心不会被直流磁化。
3-9．三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a 、b 两相的自然换相点是同一点吗？如果不是，它们在相位上差多少度？
答：三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a 、b 两相之间换相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差180°。
3- 10．有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是?，那末共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是a 相，在相位上差多少度？
答：相差180°。
3- 11．三相半波可控整流电路，U2=100V ，带电阻电感负载，R=5Ω，L 值极大，当?=60?时，要求：画出ud 、id 和iVT1的波形；计算Ud 、Id 、IdT 和IVT 。 解：①u d 、i d 和i VT1的波形如下图：
ωt i u
②U d 、I d 、I dT 和I VT 分别如下U d ＝1.17U 2cos ?＝1.17×100×cos60°＝58.5（V ）
I d ＝U d ∕R ＝58.5∕5＝11.7（A ）
I dVT ＝I d ∕3＝11.7∕3＝3.9（A ）
I VT ＝I d ∕3＝6.755（A ）
3-12．在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压ud 波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？
答：假设VT1不能导通，整流电压ud 波形如下：
假设VT 1被击穿而短路，则当晶闸管VT 3或VT 5导通时，将发生电源相间短路，使得VT 3、VT 5也可能分别被击穿。
3- 13．三相桥式全控整流电路，U2=100V ，带电阻电感负载，R=5Ω，L 值极大，当?=60?时，要求：
① 画出ud 、id 和iVT1的波形；
② 计算Ud 、Id 、IdT 和IVT 。
解：①u d 、i d 和i VT1的波形如下：
②U d 、I d 、I dT 和I VT 分别如下
U d ＝2.34U 2cos ?＝2.34×100×cos60°＝117（V ）
I d ＝U d ∕R ＝117∕5＝23.4（A ）
I DVT ＝I d ∕3＝23.4∕3＝7.8（A ）
I VT ＝I d ∕3＝23.4∕3＝13.51（A ）
3-14．单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，E=40V ，U2=100V ，LB=0.5mH ，当?=60?时求Ud 、Id 与??的数值，并画出整流电压ud 的波形。
解：考虑L B 时，有：
U d ＝0.9U 2cos α－ΔU d
ΔU d ＝2X B I d ∕π
I d ＝（U d －E ）∕R
解方程组得：
U d ＝（πR 0.9U 2cos α＋2X B E ）∕（πR ＋2X B ）＝44.55（V ）
ΔU d ＝0.455（V ）
I d ＝4.55（A ）
又∵
αcos －)cos(γα+＝2B d X I ∕U 2
即得出
)
60cos(γ+︒=0.4798
换流重叠角
? ＝ 61.33°? 60°=1.33°
最后，作出整流电压U d 的波形如下：
3-15．三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V ，R=1Ω，L=∞，LB=1mH ，求当?=30?时、E=50V 时Ud 、Id 、??的值并作出ud 与iVT1和iVT2的波形。
解：考虑L B 时，有：
U d ＝1.17U 2cos α－ΔU d
ΔU d ＝3X B I d ∕2π
I d ＝（U d －E ）∕R
解方程组得：
U d ＝（πR 1.17U 2cos α＋3X B E ）∕（2πR ＋3X B ）＝94.63（V ）
ΔU d ＝6.7（V ）
I d ＝44.63（A ）
又∵
αcos －)cos(γα+＝2B d X I ∕6U 2
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