《电力电子技术》姚为正--浣喜明--(第二版)--习题解答(共35页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上电力电子技术习题解答第2章 思考题与习题2.1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定?答:晶闸管的导通条件是:晶闸管阳极和阳极间施加正向电压,并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流(或脉冲)。导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定,负载上电压由输入阳极电压UA决定。2.2晶闸管的关断条件是什么?如何实现?晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?答:晶闸管的关断条件是:要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态,可采用阳极电压反向使阳极电流IA减小,IA下降到维持电流IH以下时,晶闸管内部建立的正反馈无法进行。进而实现晶闸管的关断,其
2、两端电压大小由电源电压UA决定。2.3温度升高时,晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化?答:温度升高时,晶闸管的触发电流随温度升高而减小,正反向漏电流随温度升高而增大,维持电流IH会减小,正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。2.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种?答:非正常导通方式有:(1) Ig=0,阳极电压升高至相当高的数值;(1) 阳极电压上升率du/dt过高;(3) 结温过高。2.5请简述晶闸管的关断时间定义。答:晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即。2.6试说明晶闸管有哪些派生器件?答:快速晶闸
3、管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。2.7请简述光控晶闸管的有关特征。答:光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管,在光的照射下,光电二极管电流增加,此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。主要用于高压大功率场合。2.8型号为KP100-3,维持电流IH=4mA的晶闸管,使用在图题2.8所示电路中是否合理,为什么?(暂不考虑电压电流裕量) 图题2.8 答:(a)因为,所以不合理。(b), KP100的电流额定值为100,裕量达倍,太大了。(c),大于额定值,所以不合理。2.9 图题2.9中实线部分表示流过晶闸管的电流波形,其最大值均为Im,试计算各图的电流平均值电流有效值和
4、波形系数。 图题29解:图(a): IT(AV)=IT=Kf=1.57图(b): IT(AV)= ImIT=Kf=1.11图(c): IT(AV)= ImIT= ImKf=1.26图(d): IT(AV)=ImIT= ImKf=1.78图(e): IT(AV)=IT=Kf=2.83图(f): IT(AV)=IT=Kf=22.10上题中,如不考虑安全裕量,问额定电流100A的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少?解:(a)图波形系数为1.57,则有: 1.57=1.57100A , IT(AV) = 100 A(b)图波形系数为1.11,则有: 1.11=1.57100A , IT(AV)=141
5、.4A(c)图波形系数为1.26,则有: 1.26=1.57100A , IT(AV)=124.6A(d)图波形系数为1.78,则有: 1.78=1.57100A , IT(AV)=88.2A(e)图波形系数为2.83,则有: 2.83=1.57100A, IT(AV)=55.5A(f)图波形系数为2,则有: 2=1.57100A , IT(AV)=78.5A2.11某晶闸管型号规格为KP200-8D,试问型号规格代表什么意义?解:KP代表普通型晶闸管,200代表其晶闸管的额定电流为200A,8代表晶闸管的正反向峰值电压为800V,D代表通态平均压降为。2.12如图题2.12所示,试画出负载R
6、d上的电压波形(不考虑管子的导通压降)。 图题2.12解:其波形如下图所示:2.13在图题2.13中,若要使用单次脉冲触发晶闸管T导通,门极触发信号(触发电压为脉冲)的宽度最小应为多少微秒(设晶闸管的擎住电流IL=15mA)? 图题2.13 解:由题意可得晶闸管导通时的回路方程:可解得 , =1要维维持持晶闸管导通,必须在擎住电流IL以上,即 , 所以脉冲宽度必须大于150s。2.14单相正弦交流电源,晶闸管和负载电阻串联如图题2.14所示,交流电源电压有效值为220V。 (1)考虑安全余量,应如何选取晶闸管的额定电压? (2)若当电流的波形系数为Kf=2.22时,通过晶闸管的有效电流为100
7、A,考虑晶闸管的安全余量,应如何选择晶闸管的额定电流?图题2.14解:(1)考虑安全余量, 取实际工作电压的2倍 UT=V, 取600V(2)因为Kf=2.22, 取两倍的裕量,则:2IT(AV) 得: IT(AV)=111(A) 取100A。2.15 什么叫GTR的一次击穿?什么叫GTR的二次击穿?答:处于工作状态的GTR,当其集电极反偏电压UCE渐增大电压定额BUCEO时,集电极电流IC急剧增大(雪崩击穿),但此时集电极的电压基本保持不变,这叫一次击穿。发生一次击穿时,如果继续增大UCE,又不限制IC,IC上升到临界值时,UCE突然下降,而IC继续增大(负载效应),这个现象称为二次击穿。2
8、.16怎样确定GTR的安全工作区SOA?答:安全工作区是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。按基极偏量分类可分为:正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。正偏工作区又叫开通工作区,它是基极正向偏量条件下由GTR的最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB,ICM,BUCEO四条限制线所围成的区域。反偏安全工作区又称为GTR的关断安全工作区,它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE,电流IC限制界线所围成的区域。2.17 GTR对基极驱动电路的要求是什么?答:要求如下:(1)提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断,(2)实现主电路与控制电
9、路隔离,(3)自动保护功能,以便在故障发生时快速自动切除驱动信号避免损坏GTR。(4)电路尽可能简单,工作稳定可靠,抗干扰能力强。2.18在大功率GTR组成的开关电路中为什么要加缓冲电路?答:缓冲电路可以使GTR在开通中的集电极电流缓升,关断中的集电极电压缓升,避免了GTR同时承受高电压、大电流。另一方面,缓冲电路也可以使GTR的集电极电压变化率和集电极电流变化率得到有效值抑制,减小开关损耗和防止高压击穿和硅片局部过热熔通而损坏GTR。2.19与GTR相比功率MOS管有何优缺点?答:GTR是电流型器件,功率MOS是电压型器件,与GTR相比,功率MOS管的工作速度快,开关频率高,驱动功率小且驱动
10、电路简单,无二次击穿问题,安全工作区宽,并且输入阻抗可达几十兆欧。但功率MOS的缺点有:电流容量低,承受反向电压小。2.20从结构上讲,功率MOS管与VDMOS管有何区别?答:功率MOS采用水平结构,器件的源极S,栅极G和漏极D均被置于硅片的一侧,通态电阻大,性能差,硅片利用率低。VDMOS采用二次扩散形式的P形区的N+型区在硅片表面的结深之差来形成极短的、可精确控制的沟道长度(13)、制成垂直导电结构可以直接装漏极、电流容量大、集成度高。2.21试说明VDMOS的安全工作区。答:VDMOS的安全工作区分为:(1)正向偏置安全工作区,由漏电源通态电阻限制线,最大漏极电流限制线,最大功耗限制线,
11、最大漏源电压限制线构成。(2)开关安全工作区:由最大峰值漏极电流ICM,最大漏源击穿电压BUDS最高结温IJM所决定。(3)换向安全工作区:换向速度一定时,由漏极正向电压UDS和二极管的正向电流的安全运行极限值IFM决定。2.22试简述功率场效应管在应用中的注意事项。答:(1)过电流保护,(2)过电压保护,(3)过热保护,(4)防静电。2.23与GTR、VDMOS相比,IGBT管有何特点?答:IGBT的开关速度快,其开关时间是同容量GTR的1/10,IGBT电流容量大,是同容量MOS的10倍;与VDMOS、GTR相比,IGBT的耐压可以做得很高,最大允许电压UCEM可达4500V,IGBT的最
12、高允许结温TJM为150,而且IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小,具有良好的温度特性;通态压降是同一耐压规格VDMOS的1/10,输入阻抗与MOS同。2.24下表给出了1200V和不同等级电流容量IGBT管的栅极电阻推荐值。试说明为什么随着电流容量的增大,栅极电阻值相应减小?电流容量A255075100150200300栅极电阻502515128.253.3答:对一定值的集电极电流,栅极电阻增大栅极电路的时间常数相应增大,关断时栅压下降到关断门限电压的时间变长,于是IGBT的关断损耗增大。因此,随着电流容量的增大,为了减小关断损耗,栅极电阻值相应减小。应当注意的是,太小的栅极电阻会
13、使关断过程电压变化加剧,在损耗允许的情况下,栅极电阻不使用宜太小。2.25在SCR、GTR、IGBT、GTO、MOSFET、IGCT及MCT器件中,哪些器件可以承受反向电压?哪些可以用作静态交流开关?答:SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT都可承受反向电压。SCR可以用作静态开关。2.26试说明有关功率MOSFET驱动电路的特点。答:功率MOSFET驱动电路的特点是:输入阻抗高,所需驱动功率小,驱动电路简单,工作频率高。2.27试述静电感应晶体管SIT的结构特点。答:SIT采用垂直导电结构,沟道短而宽,适合于高电压,大电流的场合,其漏极电流具有负温度系数,可避免因温度升高而引起的恶性循环漏
14、极电流通路上不存在PN结,一般不会发生热不稳定性和二次击穿现象,其安全工作区范围较宽,关断它需加10V的负栅极偏压UGS ,使其导通,可以加56V的正栅偏压+UGS,以降低器件的通态压降。2.28试述静电感应晶闸管SITH的结构特点。答:其结构在SIT的结构上再增加一个P+层形成了无胞结构。SITH的电导调制作用使它比SIT的通态电阻小,通态压降低,通态电流大,但因器件内有大量的存储电荷,其关断时间比SIT要慢,工作频率低。2.29试述MOS控制晶闸管MCT的特点和使用范围。答:MCT具有高电压,大电流,高载流密度,低通态压的特点,其通态压降只有的左右,硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是
15、最高的,另外,可承受极高的di/dt和du/dt。使得其保护电路简化,的开关速度超过,且开关损耗也小。2.30缓冲电路的作用是什么?关断缓冲与开通缓冲在电路形式上有何区别,各自的功能是什么?答:缓冲电路的作用是抑制电力电子器件的内因过电压du/dt或者过电流di/dt,减少器件的开关损耗。缓冲电路分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路是对du/dt抑制的电路,用于抑制器件的关断过电压和换相过电压,抑制du/dt,减小关断损耗。开通缓冲电路是对di/dt抑制的电路,用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt,减小器件的开通损耗。第3章 思考题与习题3.1 开关器件的开关损耗大小同哪些因素有关
16、?答:开关损耗与开关的频率和变换电路的形态性能等因素有关。3.2 试比较Buck电路和Boost电路的异同。答;相同点:Buck电路和Boost电路多以主控型电力电子器件(如GTO,GTR,VDMOS和IGBT等)作为开关器件,其开关频率高,变换效率也高。不同点:Buck电路在T关断时,只有电感L储存的能量提供给负载,实现降压变换,且输入电流是脉动的。而Boost电路在T处于通态时,电源Ud向电感L充电,同时电容C集结的能量提供给负载,而在T处于关断状态时,由L与电源E同时向负载提供能量,从而实现了升压,在连续工作状态下输入电流是连续的。3.3 试简述Buck-Boost电路同Cuk电路的异同
17、。答:这两种电路都有升降压变换功能,其输出电压与输入电压极性相反,而且两种电路的输入、输出关系式完全相同,Buck-Boost电路是在关断期内电感L给滤波电容C补充能量,输出电流脉动很大,而Cuk电路中接入了传送能量的耦合电容C1,若使C1足够大,输入输出电流都是平滑的,有效的降低了纹波,降低了对滤波电路的要求。3.4 试说明直流斩波器主要有哪几种电路结构?试分析它们各有什么特点?答:直流斩波电路主要有降压斩波电路(uck),升压斩波电路(oost),升降压斩波电路(uckoost)和库克(ook)斩波电路。降压斩波电路是:一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路。它主要用于直流稳压电源
18、和直流直流电机的调速。升压斩波电路是:输出电压的平均值高于输入电压的变换电路,它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。升降压变换电路是输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压,输出电压与输入电压极性相反。主要用于要求输出与输入电压反向,其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。库克电路也属升降压型直流变换电路,但输入端电流纹波小,输出直流电压平稳,降低了对滤波器的要求。3.5 试分析反激式和正激式变换器的工作原理。答:正激变换器:当开关管T导通时,它在高频变压器初级绕组中储存能量,同时将能量传递到次级绕组,根据变压器对应端的感应电压极性,二极管D1导通,此时D2反向截止,把能量储存到电感L中,
19、同时提供负载电流;当开关管T截止时,变压器次级绕组中的电压极性反转过来,使得续流二极管D2导通(而此时D1反向截止),储存在电感中的能量继续提供电流给负载。变换器的输出电压为: 反激变换器:当开关管T导通,输入电压Ud便加到变压器TR初级N1上,变压器储存能量。根据变压器对应端的极性,可得次级N2中的感应电动势为下正上负,二极管D截止,次级N2中没有电流流过。当T截止时,N2中的感应电动势极性上正下负,二极管D导通。在T导通期间储存在变压器中的能量便通过二极管D向负载释放。在工作的过程中,变压器起储能电感的作用。输出电压为 3.6 试分析全桥式变换器的工作原理。答:当ug1和ug4为高电平,u
20、g2和ug3为低电平,开关管T1和T4导通,T2和T3关断时,变压器建立磁化电流并向负载传递能量;当ug1和ug4为低电平,ug2和ug3为高电平,开关管T2和T3导通,T1和T4关断,在此期间变压器建立反向磁化电流,也向负载传递能量,这时磁芯工作在BH回线的另一侧。在T1、T4导通期间(或T2和T3导通期间),施加在初级绕组NP上的电压约等于输入电压Ud。与半桥电路相比,初级绕组上的电压增加了一倍,而每个开关管的耐压仍为输入电压。3.7 有一开关频率为50kHz的Buck变换电路工作在电感电流连续的情况下,L=0.05mH,输入电压Ud=15V,输出电压U0=10V(1) 求占空比D的大小;
21、(2) 求电感中电流的峰-峰值I;(3) 若允许输出电压的纹波U0/U0=5%,求滤波电容C的最小值。解:(1), (2) (3)因为 则 F3.8 图题3.8所示的电路工作在电感电流连续的情况下,器件T的开关频率为100kHz,电路输入电压为交流220V,当RL两端的电压为400V时:(1) 求占空比的大小; (2) 当RL=40时,求维持电感电流连续时的临界电感值; (3) 若允许输出电压纹波系数为0.01,求滤波电容C的最小值。 题图3.8解:()由题意可知: =0.45() (其中)(), 3.9 在Boost变换电路中,已知Ud=50V,L值和C值较大,R=20,若采用脉宽调制方式,
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