電力電子第二章、第九章、第十章課后習(xí)題答案.doc

2-1與信息電子電路中的二極管相比，電力二極管具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點才使得其具有耐受高壓和大電流的能力？答：1.電力二極管大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，使得硅片中通過電流的有效面積增大，顯著提高了二極管的通流能力。2.電力二極管在P區(qū)和N區(qū)之間多了一層低摻雜N區(qū)，也稱漂移區(qū)。低摻雜N區(qū)由于摻雜濃度低而接近于無摻雜的純半導(dǎo)體材料即本征半導(dǎo)體，由于摻雜濃度低，低摻雜N區(qū)就可以承受很高的電壓而不被擊穿。2-6 GTO 和普通晶閘管同為PNPN 結(jié)構(gòu)為什么 GTO 能夠自關(guān)斷而普通晶閘管不能? 答:GTO和普通晶閘管同為 PNPN 結(jié)構(gòu),由 P1N1P2 和 N1P2N2 構(gòu)成兩個晶體管V1、V2 分別具有共基極電流增益 1 和，由普通晶閘管的分析可得，1 + 2 = 1 是器件臨界導(dǎo)通的條件。1 + 21 兩個等效晶體管過飽和而導(dǎo)通； 1 + 21 不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。 GTO 之所以能夠自行關(guān)斷,而普通晶閘管不能,是因為 GTO 與普通晶閘管在設(shè)計和工藝方面有以下幾點不同： l)GTO 在設(shè)計時 2 較大,這樣晶體管 T2 控制靈敏,易于 GTO 關(guān)斷; 2)GTO 導(dǎo)通時 1 + 2 的更接近于 l,普通晶閘管 1 + 2 1.5 ,而 GTO 則為 1 + 2 1.05 ，GTO 的飽和程 度不深,接近于臨界飽和,這樣為門極控制關(guān)斷提供了有利條件; 3)多元集成結(jié)構(gòu)使每個 GTO 元陰極面積很小, 門極和陰極間的距離大為縮短,使得 P2 極區(qū)所謂的橫向電阻很 小, 從而使從門極抽出較大的電流成為可能。2-7與信息電子電路中的MOSFET相比,電力MOSFET具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點才具有耐受高電壓和大電流的能力？1垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)：發(fā)射極和集電極位于基區(qū)兩側(cè)，基區(qū)面積大，很薄，電流容量很大。2N-漂移區(qū)：集電區(qū)加入輕摻雜N-漂移區(qū)，提高耐壓。 3集電極安裝于硅片底部，設(shè)計方便，封裝密度高，耐壓特性好。2-8試分析IGBT和電力MOSFET在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和開關(guān)特性上的相似和不同之處答：IGBT比電力MOSFET在背面多一個P型層，IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小。 2-11試列舉你所知道的電力電子器件，并從不同的角度對這些電力電子器件進行分類。目前常用的控型電力電子器件有哪些? 答：1. 按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類： （1）半控型器件：晶閘管及其派生器件 （2）全控型器件：IGBT,MOSFET，GTO,GTR （3）不可控器件:電力二極管 2. 按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外） （1）脈沖觸發(fā)型：晶閘管及其派生器件 （2）電平控制型： （全控型器件）IGBT,MOSFET，GTO,GTR 3. 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類： （1） 單極型器件：電力 MOSFET，功率 SIT,肖特基二極管 （2） 雙極型器件：GTR,GTO,晶閘管，電力二極管等 （3） 復(fù)合型器件：IGBT,MCT,IGCT 等 4.按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類： （1）電流驅(qū)動型：晶閘管，GTO，GTR 等 （2）電壓驅(qū)動型：電力 MOSFET,IGBT 等常用的控型電力電子器件：門極可關(guān)斷晶閘管, 電力晶閘管，電力場效應(yīng)晶體管，絕緣柵雙極晶體管。9-1電力電子器件的驅(qū)動電路對整個電力電子裝置有哪些影響？電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口， 是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動電路可使電力電子器件工作在比較理想的開關(guān)狀態(tài),可縮短開關(guān)時間,減少開關(guān)損耗,對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有著重要意義。另外，對電力電子器件或整個裝置的一些保護措施也往往就將近設(shè)在驅(qū)動電路中，或者通過驅(qū)動電路來實現(xiàn)，這使得驅(qū)動電路的設(shè)計更為重要。9-2為什么要對電力電子主電路和控制電路進行電氣隔離？其基本方法有哪些？各自的基本原理是什么？9-3對晶閘管觸發(fā)電路有哪些基本要求？、和電力的驅(qū)動電路各有什么特點？晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：） 觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管的可靠導(dǎo)通；） 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的3-5倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達到1-2A/US。） 所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠出發(fā)區(qū)域之內(nèi)。） 應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。IGBT驅(qū)動電路的特點是：驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻，IGBT是電壓驅(qū)動型器件，IGBT的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器。GTR驅(qū)動電路的特點是：驅(qū)動電路提供的驅(qū)動電流有足夠陡的前沿，并有一定的過沖，這樣可加速開通過程，減小開通損耗；關(guān)斷時，驅(qū)動電路能提供幅值足夠大的反向基極驅(qū)動電流，并加反偏截止電壓，以加速關(guān)斷速度。GTO驅(qū)動電路的特點是：GTO要求其驅(qū)動電路提供的驅(qū)動電流的前沿應(yīng)有足夠的幅值和陡度，且一般需要在整個導(dǎo)通期間施加正門極電流，關(guān)斷需施加負門極電流，幅值和陡度要求更高，其驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路，關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分。電力MOSFET驅(qū)動電路的特點：要求驅(qū)動電路具有較小的輸入電阻，驅(qū)動功率小且電路簡單。9-6電力電子器件緩沖電路是怎樣分類的？全控型器件的緩沖電路的主要作用是什么？試分析RCD緩沖電路中元件的作用。答:緩沖電路又稱為吸收電路，可以分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路，開通緩沖電路又稱為di/dt抑制電路。將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起，稱為復(fù)合緩沖電路。還可以分類方法：緩沖電路中儲能元件的能量如果消耗在其吸收電阻上，則被稱為耗能式緩沖電路；如果緩沖電路能將其儲能元件的能量回饋給負載或者電源，則被稱為饋能式緩沖電路，或稱為無損吸收電路。全控型器件緩沖電路的主要作用是抑制器件的內(nèi)因過電壓,du/dt或過電流和di/dt, 減小器件的開關(guān)損耗。RCD緩沖電路中,各元件的作用是: 開通時,Cs經(jīng)Rs放電,Rs起到限制放電電流的作用;關(guān)斷時,負載電流經(jīng)VDs從Cs分流,使du/dt減小,抑制過電壓。10-3.試闡明圖10-7交-直-交變頻器電路的工作原理，并說明該電路有何局限性。圖中逆變電路的能量是可以雙向流動的， 若負載能量反饋到中間直流電路，將導(dǎo)致電容電壓升高，稱為泵升電壓。由于該能量無法反饋回交流電流，則電容只能承擔(dān)少量的反饋能量，否則汞升電壓過高會危及整個電路的安全。10-4.試分析圖10-8交-直-交變頻器電路的工作原理，并說明其局限性。帶有泵升電壓限制電路的電壓型間接交流變流電路它是在上圖的基礎(chǔ)上，在中間直流電容兩端并聯(lián)一個由電力晶體管V0和能耗電阻R0組成的泵升電壓限制電路。當(dāng)泵升電壓超過一定數(shù)值時，使V0導(dǎo)通，把從負載反饋的能量消耗在R0上。其局限性是當(dāng)負載為交流電動機，并且要求電動機頻繁快速加減速時，電路中消耗的能量較多，能耗電阻R0也需要較大功率，反饋的能量都消耗在電阻上，不能利用。10-5試說明圖10-9交-直-交變頻器電路是如何實現(xiàn)負載能量回饋的。利用可控變流器實現(xiàn)再生反饋的電壓型間接交流變流電路它增加了一套變流電路，使其工作于有源逆變狀態(tài)。當(dāng)負載回饋能量時，中間直流電壓上升，使不可控整流電路停止工作，可控變流器工作于有源逆變狀態(tài)，中間直流電壓極性不變，而電流反向，通過可控變流器將電能反饋回電網(wǎng)。10-6何謂雙PWM電路？其優(yōu)點是什么？雙PWM電路為整流電路和逆變電路都采用PWM控制的間接交流變流電路。它可以使電路的輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，中間直流電路的電壓可調(diào)。當(dāng)負載為電動機時，可工作在電動運行狀態(tài)，也可工作在再生制動狀態(tài)；通過改變輸出交流電壓的相序可使電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，因此，可實現(xiàn)電動機四象限運行。10-7什么是變頻調(diào)速系統(tǒng)的恒壓頻比控制？變頻調(diào)速系統(tǒng)的恒壓頻比控制是為了不使電動機因頻率變化導(dǎo)致磁飽和而造成勵磁電流增大，引起功率因數(shù)和效率的降低，需對變頻器的電壓的頻率和比率進行控制，使該比率保持恒定，以維持氣隙磁通為額定值。10-8何謂UPS？試說明圖10-16所示UPS系統(tǒng)的工作原理。UPS 是指當(dāng)交流輸入電源發(fā)生異?；驍嚯姇r,還能繼續(xù)向負載供電,并能保證供電質(zhì)量,使負載供電不受影響的裝置,即不間斷電源。圖 10-16 為用柴油發(fā)電機作為后備電源的 UPS,其工作原理為:一旦市電停電,則蓄電池投入工作,同時起動油機,由油機代替市電向整流器供電,整流后再通過逆變器逆變?yōu)?50Hz 恒頻恒壓的交流電向負載供電廣市電恢復(fù)正常后, 再重新由市電供電。因為蓄電池只作為市電與油機之間的過渡,柴油發(fā)電機作為后備電源,所 以此系統(tǒng)可保證長時間不間斷供電。10-9試解釋為什么開關(guān)電源的效率高于線性電源。線性電源功率器件工作在線性狀態(tài),也就是說他一用起來功率器件就是一直在工作,所以也就導(dǎo)致他的工作效率低,一般在 50%60%。開關(guān)電源，他的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài),(一開一關(guān),一開一關(guān),頻率 非?？? 一般的平板開關(guān)電源頻率在 100200KHz, 模塊電源在 300500KHZ) 這樣他的損耗就小,效率也就高。10-13與高壓交流輸電相比，高壓直流輸電有哪些優(yōu)勢？高壓直流輸電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是怎樣的？與高壓交流輸電相