電力電子習(xí)題1.doc

250什么是電力電子技術(shù)?答：通常所說的電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)，模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于前者，而后者是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，即應(yīng)用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)。251電力變換包含哪些內(nèi)容?答：電力變換通常分為四大類，即交流變直流(整流)、直流變交流(逆變)、直流變直流(直流斬波)和交流變交流。其中交流變交流可以是電壓或電力的變換，叫做交流電力控制，也可以是頻率和相數(shù)的變換，進行上述電力變換的技術(shù)叫做變流技術(shù)。252什么是電力電子器件?答：在電力系統(tǒng)或電力設(shè)備中，主電路承擔(dān)著電能的變換或控制任務(wù)，電力電子器件是直接用于主電路中實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。目前電力電子器件一般專指電力半導(dǎo)體器件。253電力電子器件如何分類?答：按照電力電子器件被控制信號所控制的程度，可分為以下三類：(1)不可控器件指不能用控制信號來控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的電力電子器件，例如電力二極管。(2)半控型器件通過控制信號可以控制其導(dǎo)通，而不能控制其關(guān)斷的電力電子器件叫做半控型器件，例如晶閘管及其大部分派生器件等都是半控型器件。(3)全控型器件又叫自關(guān)斷器件。指控制信號既能控制其導(dǎo)通，也能控制其關(guān)斷的電力電子器件。常用的有門極關(guān)斷(GTO)晶閘管、電力晶體管(GRT)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和電力場效應(yīng)晶體管(PMOSFET)。根據(jù)器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況，電力電子器件又可分為單極型器件(一種載流子參與導(dǎo)電)、雙極型器件(兩種載流子參與導(dǎo)電)和混合型器件(由單極型和雙極型兩種器件混合而成的器件)。按照控制信號的不同，還可將電力電子器件(電力二極管除外)分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型，后者又叫場控器件或場效應(yīng)器件。254電力二極管有哪些基本特性?答：電力二極管主要有以下兩種基本特性：(1)靜態(tài)特性主要指其伏安特性，當它承受的正向電壓大到一定值時(此值叫門檻電壓)，正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流對應(yīng)的電力二極管兩端電壓為正向電壓降。電力二極管承受反向電壓時，只通過數(shù)值微小的反向漏電流。(2)動態(tài)特性 由于電力二極管的PN結(jié)存在結(jié)電容，因此在零偏置、正向偏置和反向偏置這三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的時候，需要一定的時間，我們稱之為過渡過程，其PN結(jié)的一些區(qū)域帶電狀態(tài)是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性。255常用的電力二極管有哪些主要類型?答：在電力電子電路中，電力二極管有廣泛的應(yīng)用，它可以作為整流、續(xù)流，以及電壓隔離、鉗位、保護等器件。在應(yīng)用時，要按實際要求選擇不同類型的電力二極管。其主要類型有： (1)普通二極管 又叫整流二極管，多用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)的整流電路中。其反向恢復(fù)時間一般大于5S，而正向電流額定值和反向電壓額定值可以達到數(shù)千安和數(shù)千伏以上。(2)快恢復(fù)二極管簡稱快速二極管。其反向恢復(fù)時間小于5s，快恢復(fù)外延二極管反向恢復(fù)時間更短，在100ns以下。(3)肖特基二極管 其優(yōu)點是反向恢復(fù)時間很短，一般為1040ns；正向恢復(fù)過程中沒有明顯的電壓過沖；開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管小。其缺點是反向漏電流大且對溫度敏感；當提高反向耐壓時，其正向壓降也相應(yīng)增加，甚至不能滿足要求。256電力二極管有哪些主要參數(shù)?答：電力二極管有以下幾種主要參數(shù)。(1)正向平均電流IF(AV)指電力二極管在穩(wěn)定運行時，在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，所允許通過的最大工頻正弦半波電流的平均值。此時，管子正向壓降的損耗引起的結(jié)溫升高不會超過所允許的最高工作結(jié)溫。在此提醒讀者，電力二極管的額定電流是用其正向平均電流IF(AV)標稱的，經(jīng)換算可知，此時與之對應(yīng)的電流有效值是1.57IF(AV)。(2)正向壓降VF電力二極管在規(guī)定的溫度下，流過一定的穩(wěn)態(tài)正向電流時塒應(yīng)的正向壓降。(3)反向重復(fù)峰值電壓VRRM 指對電力二極管能重復(fù)施加而不被反向擊穿的反向最高峰值電壓。其值一般是電力二極管雪崩擊穿電壓VR的2/3。(4)最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指PN結(jié)的平均溫度，最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的條件下，電力二極管所能承受的最高平均溫度，通常為125175。(5)涌浪電流IRSM 指電力二極管能承受的連續(xù)一個或幾個工頻周期的最大電流。257什么是晶閘管?它有哪些用途?答：晶閘管是晶體閘流管的簡稱，它包括普通晶閘管和雙向、門極關(guān)斷、逆導(dǎo)、快速等晶閘管。普通晶閘管(Thyristor)曾稱為可控硅整流器，常用SCR(Siliccm Controlled Rectifier)表示。在實際應(yīng)用中，如果沒有特殊說明，晶閘管皆指普通晶閘管。晶閘管主要用來組成整流、逆變、斬波、交流調(diào)壓、變頻等變流裝置和交流開關(guān)以及家用電器實用電路等中，由于上述裝置特別是變流裝置是靜止型的，具有體積小、壽命長、效率高、控制性能好，并且具有無毒、無噪聲、造價低、維修方便等優(yōu)點，因此得到廣泛的應(yīng)用。258如何區(qū)分晶閘管的三個電極?答：晶閘管是一種四層(PNPN)三端(A、K、G)電力半導(dǎo)體器件，工業(yè)上應(yīng)用的晶閘管功率較大，其結(jié)構(gòu)、外形和圖形符號如圖3-1所示。從外形上分，有螺栓形和平板形，三個引出端分別叫做陽極A、陰極K、門極G。對于螺栓形晶閘管，螺栓是陽極，粗辮子為陰極，細辮子為門極。而平板形晶閘管，兩側(cè)是陽極和陰極，由中間金屬環(huán)邊緣引出的細辮子是門極，門極離陰極較近。目前，200A以上的晶閘管都采用平板形結(jié)構(gòu)，主要原因是散熱效果好。三個電極不能從外形上區(qū)分時，可采用第259題(1)中所述的方法區(qū)分。259怎樣鑒別晶閘管的好壞?答：在沒有專用測試設(shè)備的條件下，可通過下述方法判斷晶閘管能否投入工作。(1)將萬用表置于R10k檔，測量陽極一陰極之間和陽極一門極之間的正、反向電阻，正常值都應(yīng)在幾百千歐以上；門極-陰極之間正向電阻約數(shù)十歐到數(shù)百歐，反向電阻較正向電阻略大。測量時，特別是測量門極一陰極之問的阻值時，絕不允許使用R10k檔，以防止表內(nèi)高壓電池擊穿門極的PN結(jié)。測量時，如發(fā)現(xiàn)任何兩個極短路或門極對陰極斷路，說明晶閘管已經(jīng)損壞。(2)按照(1)所述方法，只是初步鑒別晶閘管的好壞，能否投入工作，還需按圖3-2所示的方法接線進行實驗。欲使晶閘管導(dǎo)通，需要同時具備兩個條件，即在晶閘管陽極一陰極間加正向電壓以及給門極加正向電壓，使足夠的門極電流Io流入。因此，按圖3-2接線，閉合S時，小燈泡不亮，再按一下SB，小燈泡如果發(fā)亮，說明晶閘管良好，能夠投入電路工作。以上是鑒別晶閘管好壞的一種簡易方法，如果想要進一步知道品閘管的特性和有關(guān)參數(shù)，則需要查產(chǎn)品合格證上所標的測試參數(shù)或用專門測試設(shè)備進行測試。260晶閘管的型號表示什么意義?答：以KP型普通晶閘管為例來說明晶閘管型號的含義。KP200-14表示額定電流為200A，額定電壓為1400V。晶閘管的額定電壓在1000V以下用百位數(shù)表示；1000V及以上用千位和百位數(shù)表示。261晶閘管是如何觸發(fā)導(dǎo)通的?答：在品閘管陽極-陰極之間加正向電壓，門極也加正向電壓，產(chǎn)生足夠的門極電流Ig時晶閘管導(dǎo)通，其導(dǎo)通過程叫做觸發(fā)。晶閘管是四層三端器件，具有三個PN結(jié)，可將它等效成兩個晶體管VT1(P1N1P2)和VT2(N1P2N2)，如圖3-3所示。VT1、VT2的集電極電流分別為Icl=a1Ia，Ic2=a2Ik，發(fā)射極電流分別為IE1=Ia，IE2=Ik。當晶閘管承受正向電壓時，欲使晶閘管導(dǎo)通，必須使承受反壓的J2結(jié)失去阻擋作用。從圖3-3c可見，每個晶體管的集電極電流同時是另一個晶體管的基極電流，因此，一旦門極流入足夠的電流Ig，就會形成強烈的正反饋，即在很短的時間內(nèi)，使兩個晶體管飽和導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通。262晶閘管的靜態(tài)特性是怎樣的?答：晶閘管的靜態(tài)特性主要是指它的伏安特性，如圖3-4所示。位于第I象限的為正向特性，它又分為阻斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)；位于第象限的為反向特性。當Ig=0時，逐漸升高晶閘管的正向陽極電壓，此時只有很小的漏電流通過晶閘管，當正向陽極電壓上升到某一數(shù)值(此電壓值叫轉(zhuǎn)折電壓)時，晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)，這種情況叫“硬開通”(多次“硬開通”會損壞晶閘管)。通態(tài)下，晶閘管的伏安特性和二極管正向特性相似，即通過較大的電流而本身壓降僅為1V左右。門極電流上升，轉(zhuǎn)折電壓下降，當門極電流足夠大時，轉(zhuǎn)折電壓很小，此時，晶閘管和二極管等同，一旦承受正向電壓，管子就能導(dǎo)通。晶閘管在反向電壓的作用下，總是處于阻斷狀態(tài)，直到反向電壓增加到反向擊穿電壓時，管子反向擊穿，電流急劇增大，導(dǎo)致管子損壞，其反向特性類似于二極管。263晶閘管的動態(tài)特性是什么?答：晶閘管開通與關(guān)斷動態(tài)過程的波形如圖3-5所示。圖中，在t=0時，在晶閘管承受正向電壓的前提下，門極流入觸發(fā)電流Ig，晶閘管導(dǎo)通，進入正常工作狀態(tài)；在t=t1時，晶閘管承受電壓由正向變?yōu)榉聪?，使晶閘管關(guān)斷。在導(dǎo)通過程中，陽極電流從零開始增長，升到穩(wěn)態(tài)值的10時，這段時間叫延遲時間td，陽極電流從穩(wěn)態(tài)值的10上升到90所需要的時間叫做上升時間tr，兩者之和被定義為晶閘管的開通時間，即tgt=td+tr。晶閘管關(guān)斷也不是瞬時完成的，流過晶閘管的電流從穩(wěn)態(tài)值降到接近于零的時間，為晶閘管的反向阻斷恢復(fù)時間trr。此后，載流子需要復(fù)合，晶閘管恢復(fù)對正向電壓阻斷能力還需要一段時間，即正向阻斷恢復(fù)時間tgr，在此特別提醒讀者，在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)，若對晶閘管重新施加正向電壓，則管子會立即導(dǎo)通，而無需門極電流的控制。兩者之和被定義為晶閘管的關(guān)斷時間，即tq=trr+tgr264晶閘管有哪些主要參數(shù)?答：晶閘管參數(shù)都和結(jié)溫有關(guān)，主要的參數(shù)有：(1)電壓定額1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓VDRM指允許重復(fù)加在晶閘管陽極-陰極間的正向峰值電壓，規(guī)定它的數(shù)值為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓VD剛的90。2)反向重復(fù)峰值電壓VRRM指允許重復(fù)加在晶閘管陽極-陰極間的反向峰值電壓，規(guī)定其值為反向不重復(fù)峰值電壓VRSM的90。3)額定電壓VTN 通常取實測的VDRM、VRRM中的較小值，按規(guī)定的標準電壓等級就低取整數(shù)，即為晶閘管的額定電壓。4)通態(tài)平均電壓VT(管壓降) 在規(guī)定的環(huán)境溫度和標準散熱條件下，晶閘管通過正弦半波的額定通態(tài)平均電流時，陽極一陰極間電壓降的平均值叫通態(tài)平均電壓，其值為0.41.2V。(2)電流定額1)通態(tài)平均電流IT(AV) 晶閘管在環(huán)境溫度為40時和規(guī)定的冷卻條件下，結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時，所允許通過的最大工頻正弦半波(不小于170)通態(tài)電流在一個周期內(nèi)的平均值。在此特別提醒讀者，晶閘管的額定電流就用其通態(tài)平均電流按電流標準等級就低取整數(shù)標定，而晶閘管通過的額定電流有效值ITN則為ITN=1.57IT(AV)。2)維持電流IH晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)下，維持晶閘管導(dǎo)通的最小陽極電流叫維持電流。3)擎住電流IL晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)，當陽極電流升到某值時，去掉門極信號，如果仍能維持管子導(dǎo)通，所需要的最小陽極電流叫擎住電流。對同一個管子來說，擎住電流IL為維持電流IH的24倍。4)涌浪電流ITSM由于電路異常使結(jié)溫超過額定值的不重復(fù)性最大通態(tài)過載電流。涌浪電流有兩級，可作為設(shè)計保護電路的依據(jù)。(3)門極定額1)門極觸發(fā)電流OGT使晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必需的最小門極電流。2)門極觸發(fā)電壓VGT 產(chǎn)生門極觸發(fā)電流IGT所必需的最小門極電壓。(4)動態(tài)參數(shù)除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有：1)斷態(tài)臨界電壓上升率ddt晶閘管在額定結(jié)溫和門極斷路的情況下，不導(dǎo)致管子從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的外加電壓最大上升率。2)通態(tài)臨界電流上升率didt 在規(guī)定的條件下，晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)時，能承受而不致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率。(5)額定結(jié)溫Tj晶閘管在正常工作時允許的最高結(jié)溫在此溫度下，一切有關(guān)的額定值和特性都得到保證。265變流裝置中所用的晶閘管的額定電壓值為什么比電路電壓值大得多?答：晶閘管的過載能力差是它的主要缺點之一。因此在選擇晶閘管時，必須留有安全裕量，通常按下式選取晶閘管的額定電壓值：VTN=(23)VM式中，VTN為晶閘管額定電壓(V)；VM為晶閘管在電路中可能承受的最大正向或反向電壓值(V)。例如在單相電路中，交流側(cè)正弦相電壓的有效值是220V，晶閘管承受的最大電壓為其峰值，即按上式算出晶閘管的額定電壓VTN為 VTN=(23)311V=622933V在此范圍內(nèi)按標準電壓等級取700V(或800V、900V)。標準電壓等級：在1000V以下，每隔100V為一級；如100V、200V、；10003000V每隔200V為一級，如1000V，1200V、。同理，在三相電路中，交流側(cè)正弦線電壓有效值為380V，則晶閘管的額定電壓VTN為按標準電壓等級取1200V、1400V、1600V中任一值均可。額定電壓取得高些，則工作更為可靠，但額定電壓高的晶閘管，價錢要貴。因此，選取晶閘管的額定電壓只要能滿足工作需要、保證安全工作即可，不必追求過大裕量。266晶閘管的額定電流和其他電氣設(shè)備的額定電流有什么不同?答：由于晶閘管整流設(shè)備的輸出端所接負載常用平均電流來衡量其性能，所以晶閘管的額定電流不像其他電氣設(shè)備那樣用有效值來標定，而是用在一定條件下的最大通態(tài)平均電流按電流標準等級就低取整數(shù)來標定。所謂通態(tài)平均電流是指工頻正弦半波(不小于170)的通態(tài)電流在一周期內(nèi)的平均值，常用IT(AV)表示。晶閘管的額定值及特性參數(shù)見表3-1和表3-2。267怎樣選取晶閘管的額定電流?答：晶閘管在工作中，其結(jié)溫不能超過額定值，否則就會使晶閘管因過熱而損壞。晶閘管的額定結(jié)溫：IT(Av)50A時為100；TT(AV)=1001000A時為115，結(jié)溫的高低由發(fā)熱和冷卻兩方面的條件決定。發(fā)熱多少和流過晶閘管的電流有效值有關(guān)，只要流過晶閘管的實際電流有效值等于(小于更好)晶閘管的額定電流有效值，晶閘管的發(fā)熱就被限制在允許范圍之內(nèi)。晶閘管的額定電流用有效值表示，根據(jù)通態(tài)平均電流IT(AV)定義，求出兩者關(guān)系為ITN=1.57IT(AV)此式表明，額定電流為100A的晶閘管，能通過電流的有效值為157A，其余以此類推。根據(jù)變流裝置的形式、負載平均電流ILd，晶閘管導(dǎo)通角，可以求出通過晶閘管的實際電流有效值IT。考慮到晶閘管的過載能力差，在選擇晶閘管的額定電流時，取實際需要值的1.52倍，使之有一定的安全裕量，保證晶閘管可靠運行。因此，根據(jù)有效值相等原則，通常按下式計算晶閘管的額定電流IT(AV)(A)：例如單相半波可控整流電路，電阻性負載，已知電源電壓有效值V2=220V，負載平均電流ILd=20A，導(dǎo)通角=120，求得流過晶閘管的實際電流有效值IT=37.6A，按上式算出IT(AV)為按標準電流等級取整數(shù)，由于沒有3648A之間的等級，所以取50A。簡捷算法：由于安全裕量為1.52倍，如果取1.57，則有IT(AV)IT，只要求出IT，按標準電流等級就高取值，就能滿足要求。上例中IT=37.6A，不難得出晶閘管的額定電流應(yīng)取50A的結(jié)論。268某變流裝置的一個晶閘管損壞。換上同一型號的晶閘管之后，其溫升較高，是什么原因?答：由于晶閘管的工作條件沒有變化，因此溫升較高的原因在于品閘管本身。溫升的大小由發(fā)熱和冷卻兩方面條件決定，后者未變，說明是發(fā)熱較嚴重，而發(fā)熱的原因是損耗，主要是導(dǎo)通時的管匝降VT引起的損耗，還有斷態(tài)重復(fù)峰值電流IDRM、反向重復(fù)峰值電流IRRM引起的損耗，門極損耗和開關(guān)頻率引起的損耗。綜上所述，引起溫升較高的原因，主要是新?lián)Q上的晶閘管壓降VT較大造成的。269為什么晶閘管在夏天比冬天容易出故障?答：晶閘管在正常工作時所允許的最高結(jié)溫叫額定結(jié)溫，在此溫度下，一切有關(guān)的額定值和特性都得到保證。夏天時，環(huán)境溫度和冷卻介質(zhì)的溫度都較高，使晶閘管的冷卻條件變差，導(dǎo)致晶閘管結(jié)溫過高而損壞。另外，晶閘管結(jié)溫上升，使所需要的門極觸發(fā)電壓VGT，門極觸發(fā)電流IGT降低，晶閘管在外來干擾下容易造成誤觸發(fā)?？傊?，結(jié)溫上升，使晶閘管的參數(shù)發(fā)生變化，性能變差，所以容易出現(xiàn)故障。解決辦法是加強冷卻或降低定額使用，確保晶閘管的結(jié)溫不超過額定值。270為什么晶閘管在夏天工作正常，而到了冬天就不可靠了?答：主要原因是冬天的環(huán)境溫度和冷卻介質(zhì)的溫度都較低，因而晶閘管的結(jié)溫較夏天低，導(dǎo)致門極觸發(fā)電壓VGT、門極觸發(fā)電流IGT偏高，使原來的觸發(fā)電路發(fā)出的觸發(fā)信號不能使晶閘管導(dǎo)通。解決的辦法是適當提高觸發(fā)信號的功率，使加到門極上的電壓、電流離不可靠觸發(fā)區(qū)遠一些，即留有一定裕量，即使溫度變化，也能保證在可靠觸發(fā)區(qū)內(nèi)，這樣就能始終保障可靠工作。271晶閘管在使用時門極常加上負電壓，有何利弊?答：晶閘管門極加負電壓的好處是避免干擾造成的誤觸發(fā)，但負電壓的最大值不能超過5V；不利方面是門極損耗增加，且晶閘管的觸發(fā)靈敏度降低。272在調(diào)試晶閘管整流器時，有觸發(fā)脈沖時晶閘管導(dǎo)通，脈沖消失后又關(guān)斷，是什么原因?答：在晶閘管的陽極一陰極間加正向電壓，門極上有正向觸發(fā)脈沖時，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通。此后陽極電流逐漸上升到擎住電流IL時，去掉觸發(fā)脈沖，則管子繼續(xù)導(dǎo)通，直到電流升到負載電流后，進入正常工作狀態(tài)。如果陽極電流還沒有升到擎住電流值就去掉門極脈沖，晶閘管就不能繼續(xù)導(dǎo)通而關(guān)斷。此情況多發(fā)生在電感性負載時，解決辦法是增加觸發(fā)脈沖的寬度。另一種情況是負載電阻過大，陽極電流根本升不到擎住電流值，此時要調(diào)整負載電阻，才能解決。對于同一晶閘管來說，擎住電流IL通常為維持電流IH的24倍，后者在產(chǎn)品合格證或有關(guān)資料中可以查到。 273主電路電源電壓正常，門極加上觸發(fā)脈沖后晶閘管不導(dǎo)通，是什么原因?答：主要原因有：(1)觸發(fā)電路功率不足。(2)脈沖變壓器極性接反。(3)負載斷開。(4)門極一陰極間并聯(lián)的保護二極管短路。(5)晶閘管損壞。274主電路加電源電壓后，不加觸發(fā)脈沖晶閘管就導(dǎo)通，是什么原因?答：主要的原因是：(1)晶閘管本身觸發(fā)電壓低，門極引線受干擾，引起誤觸發(fā)。解決辦法是在門極上常加一不超過5V的負電壓。(2)環(huán)境溫度和冷卻介質(zhì)的溫度偏高，使晶閘管結(jié)溫偏高，導(dǎo)致晶閘管的觸發(fā)電壓降低，在干擾信號下造成誤觸發(fā)。加強冷卻、降低結(jié)溫就可解決。(3)晶閘管額定電壓偏低，使晶閘管在電源電壓作用下“硬開通”，此時需要更換晶閘管。(4)晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率ddt偏低或晶閘管側(cè)阻容吸收回路斷路。如圖3-6所示，晶閘管在正向電壓的作用下，PN結(jié)J2反向偏置而使之阻斷。但是J2結(jié)在阻斷狀態(tài)下相當于一個電容，當正向電壓變化時，便會有充電電流流過，此電流流經(jīng)J3時，起到觸發(fā)電流的作用。如果ddt太大，導(dǎo)致充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。利用電容兩端電壓不能突變的特點，在晶閘管兩端并聯(lián)一個阻容吸收回路，限制斷態(tài)電壓上升率，就可防止晶閘管誤導(dǎo)通。275晶閘管在工作中過熱，是哪些原因引起的?答：從發(fā)熱和冷卻兩方面找原因，主要有：(1)晶閘管過載。(2)通態(tài)平均電壓即管壓降偏大。(3)門極觸發(fā)功率偏高。(4)晶閘管與散熱器接觸不良。(5)環(huán)境溫度和冷卻介質(zhì)溫度偏高。(6)冷卻介質(zhì)流速過低。276晶閘管在運行中燒壞的原因有哪些?答：主要原因有：(1)長期過熱。(2)輸出端短路、過電流保護失去作用。(3)晶閘管并聯(lián)運行時，因正向特性不一致，管壓降小的晶閘管分擔(dān)電流較大而易燒壞；如果有一只先導(dǎo)通，則因通過全部負載電流而燒壞。一只燒壞，增加了其余晶閘管的負擔(dān)，如不及時停止運行，就會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，直到并聯(lián)的晶閘管全部燒壞。解決的辦法是：1)盡量選用特性一致的晶閘管。2)采用強觸發(fā)，觸發(fā)脈沖前沿要陡、幅值要大，確保開通時間一致。3)要有可靠的均流措施。(4)晶閘管串聯(lián)運行時，因特性不一致，在阻斷狀態(tài)下，漏電流小的晶閘管分擔(dān)的電壓較大而易擊穿損壞；如果導(dǎo)通時間不一致最后導(dǎo)通的晶閘管因承受全部電壓而損壞。解決的辦法是盡量選用特性一致的晶閘管，采用強觸發(fā)和可靠的均壓措施。(5)晶閘管用于交流調(diào)壓，反并聯(lián)的兩只晶閘管工作不對稱，在回路中有直流分量通過，使其中一只晶閘管過載，嚴重不對稱時，將燒壞晶閘管。(6)通態(tài)電流上升率didt超過晶閘管的額定值。晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，首先在門極附近形成導(dǎo)通區(qū)，隨著時間的推移，逐漸擴大,直到全部結(jié)面導(dǎo)通，如圖3-7所示。如果電流上升太快，過大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)通過，會造成局部過熱而使晶閘管損壞。限制電流上升率避免晶閘管損壞的有效措施是，在晶閘管的回路中串人電抗器，實際應(yīng)用中，常在引線上套上小磁環(huán)，其電感量為2030H。277門極關(guān)斷晶閘管具有怎樣的結(jié)構(gòu)和工作原理?答：門極關(guān)斷(GTO)晶閘管(Gate Turn-Off ThyristOr)是晶閘管的一種派生器件，可在門極施加負的脈沖信號而使之關(guān)斷，因而屬于全控型器件。它的結(jié)構(gòu)和普通型晶閘管一樣，所不同的是，GTO晶閘管是一種多元的功率集成器件，其內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的GT0晶閘管元，因而在兆瓦級以上的大功率場合得到較多的應(yīng)用。GTO晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號和工作原理電路圖如圖3-8所示。其共基極電流放大系數(shù)分別為a1、a2，通常a1較小，a2較大。GTO晶閘管導(dǎo)通時，總的放大系數(shù)a1十a(chǎn)2略大于1而近似等于1，即近于臨界導(dǎo)通狀態(tài)，這是在門極施加負的脈沖信號能夠關(guān)斷的關(guān)鍵條件。而普通晶閘管導(dǎo)通時，總的放大系數(shù)a1+a2比1大得多，處于深度飽和狀態(tài)，所以不能用負的門極信號使普通晶閘管關(guān)斷。如圖3-8c所示，當開關(guān)S置向“1”處時，只要門極流入足夠的電流Ig，則和SCR一樣，在GTO晶閘管等效成的兩個晶體管內(nèi)部形成強烈的正反饋使之導(dǎo)通。當開關(guān)S置向“2”處時，門極電流為-Ig，即等效晶體管電流被抽出，使其電流減小，導(dǎo)致a1+a2下降，到a1+a2BVCEXBVCESBVCWRVa(BVCEO)，其中BVCEO叫做一次擊穿電壓。由上述可之，在發(fā)射結(jié)上施加反向偏壓，可以提高集電極的擊穿電壓值，因此圖3-11e電路應(yīng)用較為普遍。(2)集電極最大電流ICM通常規(guī)定，直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定值的1213時所對應(yīng)的集電極電流IC為集電極最大電流ICM。實際應(yīng)用中要留有裕量，一般用到ICM的12或稍多一點。(3)集電極最大耗散功率PCM指在最高工作溫度時允許耗散的功率。產(chǎn)品說明書中通常同時給出PCM和殼溫Tc，間接表示出最高工作溫度。283電力場效應(yīng)晶體管具有怎樣的結(jié)構(gòu)和工作原理?答：電力場效應(yīng)晶體管通常指絕緣柵型中的MOS型場效應(yīng)晶體管，簡稱電力MOSFET。而結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管則稱為靜電感應(yīng)晶體管(Static Induction Transistor)，簡稱SIT。這里只介紹前者。按導(dǎo)電溝道分成N溝道和P溝道，當柵極電壓為零時，漏極一源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型；柵極電壓大于(小于)零時才存在導(dǎo)電溝道的叫做增強型。在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型，本題只介紹具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET(Vertical Double-diffused MOSFET)，如圖3-12所示。圖中三個引腳，S源極，G柵極，D漏極。由圖3-12a可見，源極金屬電極將N+區(qū)和P區(qū)連接在一起，因而，源極一漏極之間形成了一個寄生二極管，故電力MOSFET常用圖3-12b表示。在變流電路中，為避免過大的反向電流流過而導(dǎo)致元件損壞，常在元件外部并接快速二極管VD2和串接二極管VD1，如圖3-12c所示。在N溝道增強型電力MOSFET器件中，當柵源電壓VGS為負時，不可能出現(xiàn)溝道，因而無法溝通源區(qū)與漏區(qū)，即使柵源電壓為正但數(shù)值不夠大時，同樣不會出現(xiàn)溝道使源區(qū)與漏區(qū)溝通。因此在上述情況下，電力MOSFFT都處于關(guān)斷狀態(tài)，即使加上正向漏極電壓VDS，也沒有漏極電流iD出現(xiàn)。只有當柵極電壓大于開啟電壓VT時，才能形成溝道，把源區(qū)與漏區(qū)溝通，在正向漏極電壓下，使電力MOSFET進入導(dǎo)通狀態(tài)。284電力場效應(yīng)晶體管具有怎樣的靜特性?答：從以下三個方面說明。 (1)輸出特性以柵源電壓GS為參變量，反映漏極電流iD和漏源電壓DS之間關(guān)系的曲線族叫做電力MOSFET的輸出特性，如圖3-13a所示。圖中，為非飽和區(qū)，為飽和區(qū)，為雪崩區(qū)。在區(qū)內(nèi)，器件的電阻值是變化的，因而也叫可調(diào)電阻區(qū)。由于溝道已經(jīng)形成，只要有一定的漏源電壓DS，就有相應(yīng)的漏圾電流iD流通。因漏源電壓DS較小，它對溝道的影響可以忽略，這樣溝道寬度和溝道載流子的遷移率基本不變，所以iD和DS呈現(xiàn)線性關(guān)系，當Ds較大時，隨著DS的增加溝道變窄，又因溝道載流子將達到散射極限速度，因而iD增加緩慢，使溝道等效電阻增加，直到溝道被夾斷即溝道載流子達到散射極限速度時，溝道載流子的運動擺脫了溝道電場的影響而進入?yún)^(qū)，此后iD基本不再變化。當漏源電壓DS增加到一定程度時，漏極PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，iD突然上升，進入?yún)^(qū)，在應(yīng)用中要避免這種情況發(fā)生，以免損壞管子。(2)飽和壓降特性 電力MOSFET為單極型器件，通態(tài)電阻較大，飽和壓降較高，因而導(dǎo)通時損耗大。(3)轉(zhuǎn)移特性柵源電壓GS與漏極電流iD之間的關(guān)系叫轉(zhuǎn)移特性，如圖3-13b所示。圖中，特性曲線的斜率IDVGS表示電力MOSFET的放大能力，用跨導(dǎo)Gfs表示。285電力場效應(yīng)晶體管具有怎樣的動特性?答：圖3-14給出了測量電力MOSFET開關(guān)特性的電路及波形。圖中，Rs為矩形脈沖電壓信號源p的內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RF為漏極負載電阻，Rf為用于檢測漏極電流設(shè)置的電阻。由于電力MOSFET存在輸入電容Cin,因而p的前沿到達時，Cin有充電過程，柵極電壓GS呈指數(shù)曲線上升，如圖3-14所示，當GS上升到開啟電壓T時，漏極電流iD開始出現(xiàn)，定義從p前沿到iD出現(xiàn)時刻這段時間為開通延遲時間td(on)。此后，iD隨GS的上升而上升。定義柵極電壓GS從開啟電壓T上升到電力MOSFET進人非飽和區(qū)時的柵極電壓GSP這段時間為上升時間tr，漏極電流iD也達到穩(wěn)態(tài)值，其值由漏極電源電壓E和漏極負載電阻RL決定，GSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)，直到GS升到穩(wěn)態(tài)值，但iD不再變化。電力MOSFET的開通時間ton為開通延遲時間td(on)與上升時間tr之和，即ton=td(on)+tro當p下降到零時，柵極輸入電容Cin通過Rs和RG放電，GS按值數(shù)曲線下降，降到GSP時，iD開始減小，這段時間定義為關(guān)斷延遲時間td(off)。接著，Cin繼續(xù)放電，柵極電壓GS從GSP值繼續(xù)下降，iD減小，到GS20V時將會擊穿絕緣層。(4)極間電容 電力MOSFET三個電極之間分別存在著極間電容CGS、CGD和CDS，一般生產(chǎn)廠提供的是漏源極短路時的輸入電容ciss即前面提到的Cin、共源極輸出電容Coss和反饋電容Crss它們之間的關(guān)系是Ciss=CGS+CGD Coss=CDS+CGD Crss=CGD(5)電壓上升率ddt耐量 它有三種不同形式，即靜態(tài)ddt、動態(tài)ddt和二極管恢復(fù)期ddt。287絕緣柵雙極型晶體管具有怎樣的結(jié)構(gòu)和工作原理?答：絕緣柵雙極型晶體管(Insulated-Gate Bipolarnansistor-IGBT)通常稱為Bi-MOS器件，它綜合了GTR和電力MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的性能。圖3-15給出了IGBT的結(jié)構(gòu)圖、等效電路和圖形符號。由圖可知，IGBT是在電力MOSFET的基礎(chǔ)上，增加了一個P+層發(fā)射極，形成PN結(jié)JI由此引出集電極，而柵極G和發(fā)射極E則與電力MOSFET的柵極和源極相似。IGBT相當于一個由電力MOSFET驅(qū)動的具有厚基區(qū)的GTR，其等效電路圖如圖3-15b所示，圖中，Rdr是厚基區(qū)GTR內(nèi)的調(diào)制電阻。從等效電路可以看出，lGBT是以GTR為主導(dǎo)器件，電力MOSFET為驅(qū)動器件的達林頓結(jié)構(gòu)器件，這種結(jié)構(gòu)叫N溝道IGBT，它由PNP型晶體管和N溝道電力MOSFET組合而成，圖形符號如圖3-15c所示，P溝道IGBT的符號僅將箭頭方向反向即可。IGT的開通與關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓VGE控制的。當VGE為正且大于開啟電壓時，電力MOSFET內(nèi)溝道形成，為PNP型晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通，此時從P+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴(少數(shù)載流子)對N-區(qū)進行電導(dǎo)調(diào)制，減少N-區(qū)的電阻Rdr，使耐高壓的IGBT具有低的通態(tài)壓降。當柵極與發(fā)射圾之間施加反向電壓或不加電壓時，電力MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，則IGBT關(guān)斷。288絕緣柵雙極型晶體管具有怎樣的靜態(tài)特性?答：IGBT的靜態(tài)特性主要有轉(zhuǎn)移特性和輸出特性，后者也叫伏安特性，如圖3-16所示。(1)轉(zhuǎn)移特性 它描述的是集電極電流ic與柵一射極電壓GE之間的關(guān)系，和電力MOSFIET的轉(zhuǎn)移特性相似，如圖3-16a所示。開啟電壓VGE(th)是IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而開通的最低柵-射極電壓。(2)輸出特性它描述的是以柵-射極電壓為控制變量，集電極電流ic與集一射極電壓CE之間的關(guān)系，它與GTR的輸出特性類似，不同的是控制變量，IGBT的控制變量為柵一射極電壓GE，而GTR的控制變量為基極電流iBo IGBT的輸出特性分三個區(qū)域，如圖3-16b所示，與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)。當GE0時，IGBT為反向阻斷狀態(tài)。在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間轉(zhuǎn)換。289絕緣柵雙極型晶體管具有怎樣的動特性?答：它包括開通過程和關(guān)斷過程，如圖3-17所示。(1)開通過程 IGBT是由PNP晶體管和電力MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，在開通過程中，大部分時間是以電力MOSFET來運行的，所以它的開通過程與電力MOSFET相似。如圖所示，從柵-射極電壓前沿上升到其幅值的10的時刻起，到集電極電流上升到其最大值ICM的10的時刻止，這段時間為開通延遲時間td(on)，而從最大值ICM的10上升到90所需的時間為電流上升時間tr，定義開通時間ton為td(on)與tr之和。IGBT開通后，集一射極電壓的下降過程分為兩個階段tfv1和tfv2。前者是電力MOSFET單獨作用時的電壓下降過程，后者為電力MOSFET和PNP晶體管同時作用時的電壓下降過程，在tfv2段結(jié)束時刻，IGBT才完全進入飽和狀態(tài)。(2)關(guān)斷過程從柵-射極電壓后沿下降到其幅值的90的時刻起，到集電極電流下降到最大值ICM的90的時刻止，此段時間定義為關(guān)斷延遲時間td(0ff)，集電極電流從ICM的90下降到10這段時問為電流下降時間tf，關(guān)斷時間toff為td(off)與tf之和。tf分為兩個階段，即tfi1和tfu2，前者對應(yīng)于IGBT內(nèi)部MOSFET的關(guān)斷過程，時間較短；后者對應(yīng)于IGBT內(nèi)部PNP晶體管的關(guān)斷過程，時間較長，會產(chǎn)生較大的關(guān)斷損耗。290絕緣柵雙極型晶體管有哪些主要參數(shù)?答：除前面提及的參數(shù)之外，還有： (1)最大集一射極電壓VCES它是由IGBT內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所決定的。(2)最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。(3)最大集電極功耗PCM指在正常工作溫度下，允許的最大耗散功率。291除前所述，還有哪些新型的電力電子器件?答：電力電子技術(shù)的核心是電力電子器件。近十幾年來,隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出新型的電力電子器件，從而使電力電子技術(shù)進入了一個新的時代。有專家預(yù)言，大功率集成電路的不斷完善，將使電子學(xué)步入第二次革命的前沿?，F(xiàn)將主要的新型電力電子器件簡介如下：(1)MOS控制晶閘管(MCT) MCT(MOS ControlledThyristor)是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合器件。它具有MOSDET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、開關(guān)速度快和晶閘管的高電壓、大電流、低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點，也是Bi-MOS器件的一種。一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元都是由一個PNPN晶閘管、一個控制該晶閘管導(dǎo)通的MOSFET和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET組成。(2)靜電感應(yīng)晶體管(SIT) SIT(Static InductionTransistor)是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管，它是一種多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率和電力MOSFET相當，而功率容量比電力MOSFET要大，因而適合于高頻、大功率場合，例如雷達通信設(shè)備和高頻感應(yīng)加熱等。(3)靜電感應(yīng)晶閘管(SITH) SITH(Static InductionThyristor)是在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層而得到的，其工作原理與SIT類似，因而又叫場控晶閘管(FCT)。由于比SIT多了一個具有少子注入功能的PN結(jié)，因此SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強，很多特性與GTO晶閘管相似，但開關(guān)速度比GTO晶閘管高。(4)集成門極換流晶閘管(IGCT) IGCT(IntegratedGate-Commutated Thyristor)有時也叫GCT，即門極換流晶閘管。它將IGBT與GTO晶閘管的優(yōu)點結(jié)合起來，容量和GTO晶閘管相當，開關(guān)速度比GTO晶閘管快一個數(shù)量級，且省去應(yīng)用GTO晶閘管時復(fù)雜而龐大的緩沖電路，但所需驅(qū)動功率仍很大。(5)功率模塊與功率集成電路將多個相同的電力電子器件或多個相瓦配合使用不同的電力電子器件封裝在一個模塊中，可減小裝置體積、降低成本、提高可靠性，更突出的是，當電路工作頻率較高時，可大大減小線路電感量，可簡化對保護電路和緩沖電路的要求。這種模塊叫做功率模塊(Power Module)，或按照主要器件命名，例如IGBT模塊等。將電力電子器件與邏輯、保護、控制、檢測、傳感等功能單元制作在同一芯片上，則叫做功率集成電路(Power IntegratedCircuitPIC)。與之類似的還有許多各自有所側(cè)重的名稱，例如高壓集成電路(HVIC)、智能功率集成電路(SPIC)等，而智能功率模塊(IPM)則專指IGBT及其輔助器件與其保護電路、驅(qū)動電路的單片集成，也稱為智能IGBT。292什么是電力電子器件的驅(qū)動電路?答：電力電子器件的驅(qū)動電路是主電路與控制電路之間的接口，它對設(shè)備的性能有很大的影響。驅(qū)動電路性能良好，可使器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間、減小開關(guān)損耗，對設(shè)備的運行效率、安全性和可靠性都有重要意義。293驅(qū)動電路的主要任務(wù)是什么?答：驅(qū)動電路的主要任務(wù)是將信息電子電路傳來的信號按照控制目標的要求，轉(zhuǎn)換成使電力電子器件開通或關(guān)斷的信號。此信號加在器件的控制端和公共端之間，對半控型器件只需要提供開通信號，例如晶閘管，品閘管的驅(qū)動電路常稱之為觸發(fā)電路(以后將單獨討論)；對全控型器件需要提供開通與關(guān)斷信號，例如GTO晶閘管、GTR、電力Mc)SFET和IGBT等，按照信號的性質(zhì)，可將器件分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型。294什么是電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路?答：GTO晶閘管和GTR屬于電流驅(qū)動型器件。GTO晶閘管開通控制，要求觸發(fā)脈沖前沿陡度高、幅值大，在整個導(dǎo)通期間要施加正的門極電流；關(guān)斷時，需施加負的門極電流，對幅值和陡度要求更高，關(guān)斷后，還應(yīng)在門極施加約5V電壓，可提高抗干擾能力。建議GTO晶閘管的門極電壓、電流波形如圖3-18所示。GTO晶閘管的驅(qū)動電路一般包括開通、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分。圖3-19所示為應(yīng)用較多典型的直接耦合式GTO晶閘管驅(qū)動電路。由高頻電源經(jīng)二極管VD1整流后提供該電路的電源，VDl、C1提供+5V電壓，VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路提供15V電壓，VD4、C4提供-15V電壓。場效應(yīng)晶體管VF1開通時，輸出正強脈沖，VF2開通時輸出正強脈沖的平頂部分；VF2關(guān)斷、VF3開通，則輸出負脈沖；VF3關(guān)斷后，電阻R3、R4提供門極負偏電壓。GTR開通的基極電流應(yīng)使管子處于準飽和導(dǎo)通狀態(tài)而不進入放大區(qū)或深飽和區(qū)。GTR關(guān)斷時，施加一定的負基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后，在基一射極之間施加約6V左右的負偏電壓，