电力电子课后答案 第二章
2.2 使晶闸管导通的条件是什么？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： 使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或者U AK >0且U GK >0；
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。 2.3图2-1中阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，各波形的电流最大值均为m I ， 试计算各波形的电流平均值1d I 、2d I 、3d I 与电流有效值1I 、2I 、3I ，和它们的波形系数1f K ，2f K ，3f K 。
题图2.1 晶闸管导电波形
解： a) 1d I =
4
1
2sin()(1)0.27222
m m m I I t I π
π
ωπ
π=
+≈? 1I 24
131(sin )()0.4822
42m m m I I t d wt I ππ
?π
π
=
+≈? 111/0.48/0.27 1.78f d m m K I I I I ===
b) 2d I =412
sin ()(1)0.5422
m m m I I td wt I ππ?=+=∏?
2I 24
21
31(sin )()0.67242m
m m I I t d wt I π
π
?π
π
=
+≈? 222/0.67/0.54 1.24f d m m K I I I I ===
c) 3d I =
20
1
1()24
m m I d t I π
ωπ
=
?
3I 220
1
1()22
m m I d t I π
ωπ
=
?
333/0.5/0.252f d m m K I I I I ===
2.4. 如果上题中晶闸管的通态平均电流为100A ，考虑晶闸管的安全裕量为1.5，问其允许通
过的平均电流和应的电流最大值各为多少? 解：由上题计算结果知：
（额定电流I T(A V)=100A 的晶闸管，允许的电流有效值I=157A ） a)
()11
1.57 1.57*100
58.8()1.5 1.5*1.78
T AV d f I I A K =
=
=
11/58.8/0.27217.78()m d f I I K A ===
b)
()22
1.57 1.57*100
84.4()1.5 1.5*1.24
T AV d f I I A K =
=
=
222/84.4/0.54156.30()m d f I I K A ===
c)
()33
1.57 1.57*100
52.3()1.5 1.5*2
T AV d f I I A K =
=
=
323/52.3/0.25209.2()m d f I I K A ===
2.5.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。1
21＞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。
2.11使用Power MOSFET 应该注意什么问题？.如何防止其因静电感应应起的损坏? 答：电力MOSFET 的栅极绝缘层很薄弱，容易被击穿而损坏。MOSFET 的输入电容是低泄漏电容，当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过±20的击穿电压所以为防止MOSFET 因静
电感应而引起的损坏，应注意以下几点： ①一般在不用时将其三个电极短接;
②装配时人体、工作台、电烙铁必须接地，测试时所有仪器外壳必须接地; ③电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高 ④漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。 2.12 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
第三章
3.1 具有续流二极管的单相半波相控整流电路，
2
220,7.5,
U V R
==ΩL值极大，当控制角α为30?和60?时，要求：
1)作出
2
,,
d d
u i i的波形；
2)计算整流输出平均电压
d
U、输出电流
d
I、变压器二次测电流有效值
2
I；
3)计算晶闸管和续流二极管的电流平均值和有效值；
4)考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。
解：30
α=?时：
1)
2
,,
d d
u i i的波形如下页所示。
2）整流输出平均电压
d
U
2
d2
2
1
sin td t(1cos)
22
1cos1cos30
0.450.45*220*92.37()
22
U
U V
π
α
ωωα
ππ
α
==+
++?
===
?
输出电流d I ：
d d 92.37
12.32A 7.5
U I R =
=＝（）
变压器：
VT 7.95()2I =I I A =
=== 3）晶闸管的电流平均值和有效值：
dVT d /6*12.32 5.13()22I I A παππππ
--===
VT ()7.95()2I =I I A == 续流二极管的电流平均值和有效值：
dVDR d /6
*12.327.19()22I I A παππππ
++===
VDR
9.41()I I A =
=== 4）晶闸管承受的最大正反向峰值电压为：
2311()TM U V ===
考虑2倍安全裕量，取晶闸管的额定电压为700V （电压低于100V 时每100V 为一个电
压等级）。
通过晶闸管的电流有效值为：VT 7.95I A =
考虑1.5（～2）倍安全裕量，则：
VT
VT(AV) 1.5(~2)*1.57
7.95
1.5(~2)*7.6(~10.1)()
1.57
I
I A ===
同理可得60α=?时：
2） 整流输出平均电压d 74.25()U V =
输出电流d I ：d 9.9A I =（）
变压器：
VT 5.72()2I =I A =
3）晶闸管的电流平均值和有效值：
dVT 3.3()I A =
VT 5.72()2I =I A =
续流二极管的电流平均值和有效值：
dVDR 6.6()I A =
VDR 8.08()I A =
4）晶闸管承受的最大正反向峰值电压为：2311()TM U V ===
考虑2倍安全裕量，故取晶闸管的额定电压为700V
a)
b)
i
通过晶闸管的电流有效值为：VT 5.72I A =
考虑1.5（～2）倍安全裕量，则： VT(AV) 5.5~7.3()I A =
3.4 .单相桥式全控整流电路，U 2=100V ，负载中R =20Ω，L 值极大，当α=?30时， 要求：
①作出U d 、I d 和I 2的波形;
②求整流输出平均电压U d 、电流I d 、变压器二次电流有效值I 2;
③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。
解： ① U d 、I d 和I 2的波形如下图：
② 输出平均电压U d 、I d 和变压器二次电流有效值I 2分别为
2
2221
2sin cos 0.9cos 0.9*100*cos3077.94()
d U U U td t U V πα
α
ωωααπ
π
+=
=
==?=?
277.94(0.9.cos )38.97()2
d d U U I A R R α==
== 238.97()d I I A ==
③晶闸管承受的最大反向电压为： 22141.4TM U U V == 考虑(2~3)倍安全裕量，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（可以取300V ～500V ）。 流过晶闸管的电流有效值为：
/ 2 27.55()VT d I I A == 晶闸管的额定电流为： ()27.55
(1.5~2)*
(1.5~2)*(26.32~35.1) ()1.57 1.57
VT VT AV I I A === 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
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U d 的波形。
解：假设α=?0，当负载为电阻时， U d 的波形如下：
2
T
a
b
R
L
u 1u 2
i 2
V T 1
V T 3
V T 2
V T 4
u d
i O ωt
O
ωt
O
ωt u d i d
i 2
b)
O ωt
O
ωt
u VT
1,4O
ωt
O
ωt I d
I d
I d I d
I d
i VT 2,3i VT 1,4
a)
当负载为电感时，U d 的波形如下：
3.10三相半波可控整流电路，U 2=100V ，带电阻电感负载，R =50Ω，L 值极大，当α＝?60时，求： ①画出,d d u i 和VT1i 的波形；②计算d d dVT U I I 、、和I VT
解： ①,d d u i 和VT1i 的波形如下图所示：
② d d dVT U I I 、、和I VT 分别为：
263
d 22632sin()()1.17cos 117*100*cos
58.5()23
U U wt d wt U V ππαπ
α
π
απ
++=
===?（
58.5/511.7()d
d U I A R
=
== 11
*11.7 3.9()33
dVT d I I A ===
6.75()33
VT d I I A =
==
3.11.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U d 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VTl 不能导通，整流电压波形如下：
假设VT1被击穿而短路，则当晶闸管VT3或VT5导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT5也可能分别被击穿。
3.12 三相桥式全控整流电路，U 2 =100V ，带电阻电感负载R =50Ω，L 值极大， 当α=?60 时，求：
①画出,d d u i 和VT1i 的波形 ②计算d d dVT U I I 、、和I VT 解：①,d d u i 和VT1i 的波形如下：
② d d dVT U I I 、、和I VT 分别为：
23d 223
6
6sin()() 2.34cos 2.34*100*cos
117()23
U U wt d wt U V παπ
α
π
απ
++=
===?
117/523.4()d d U I A R =
== 11
*23.47.8()33
dVT d I I A === 13.5()33
VT d I I A =
== 3.13 单相全控桥，反电动势阻感负载，R =1Ω，L =∞，E =40V ， U 2=100V ，L B =0.5mH ，当α=?60时，求d d U I 、与γ的数值，并画出整流电压d u 的波形。
解： 考虑L B 时，有：2
d 2221
2sin td t cos 0.9cos U U U U πα
α
ωωααπ
π
+=
=
=?
2
d 2221
2sin td t -cos -0.9cos -d d d U U U U U U U πα
α
ωωααππ
+=
?=
?=?? (1)
d d 2/B U X I π?＝ (2)
d d ()/I =U E R -................................................（3） 3(2*50)*(0.5*10)0.157B B X wL π-=== (4)
解（1）、（2）、（3）方程组得：
2(0.9cos 2)/(2)44.55()d B B U R U X E R X V παπ=++=
0.455()d U V ?= 4.55()d I A =
由 d B
2
2cos cos()I X U ααγ-+=
得： cos(60)0.4898(60)γα?+==?，则60.67600.67γ=?-?=?
整流电压的波形图如下图所示：
3.23什么是逆变失败?如何防止逆变失败?
答：逆变运行时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，由于逆变电路内阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败或逆变颠覆。
防止逆变失败的方法有：采用精确可靠的触发电路，使用性能良好的晶闸管，保证交流电源的质量，留出充足的换向裕量角β等。
3.24单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范围分别是多少?
答：单相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0～?180，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0～?90。
三相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0～?120，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0～?90
第四章
100i U V
=，4.2 在图 4.1所示的Buck 型电路中，已知
10R =Ω，L =∞，C =∞，采用PWM 控制方式。
当
50T s μ=，20on t s μ=，计算输出电压平均值o U 和输出电流平
均值o I 。 解：)(40100*50
20**A U T t U D U i on i o ====
)(410/40/A R U I o o ===
4.3在图 4.1所示的Buck 型电路中，已知12i U V =，5o U V =，开关频率100f kHz =，
330C F μ=，采用PWM 控制方式，工作在电流连续模式，计算：
（1） 占空比D 和电感纹波电流L i ?；
（2） 当输出电流为1A 时，保证电感电流连续的临界电感值L ； （3）输出电压的纹波o U ?。 解： （1）417.012
5
*===
?=i o i o U U D U D U )(10*19.2910*1001*125*512*6
3A L
L DT L U U i o i L -=-=-=?
（2）当A I o 1=时，若保持电感电流连续必须有：
2
1D
RT L -≥
又Θ )(51/5//Ω===?=o o o o I U R R U I
∴ )(10*458.110
*1001*5*2417.01*215
3H RT D L -=-=-≥
即保证电感电流连续的临界电感值L 为：H L μ58.14=
（3）)(10*1104.0)10*100(*10*330*8)417.01(*58)1(6
2
362V L
L LCf D U U o --=-=-=?
（H L μ58.14=时，mV U 57.7=?） 4.4 在图 4.7 所示的Boost 型电路中，已知
V U i 50=， L =∞，C =∞，Ω=20R ，采用
PWM 控制方式。当50T s μ=，20on t s μ=，计算输出电压平均值o U 和输出电流平均值o I 。 解：)(3.13350*40
/2511
*/11*11A U T t U D U i on i o =-=-=-=
)(67.620/3.133/A R U I o o ===
第五章
5.l.无源逆变电路和有源逆变电路有何不同?
答：两种电路的不同主要是：
有源逆变电路的交流侧接电阿，即交流侧接有电源。而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。
5.2.换流方式各有那儿种?各有什么特点? 答：换流方式有4种：
1) 器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用此换流方式。 2) 电网换流：由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。
3) 负载换流：由负载提供换流电压，当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时，
可实现负载换流。
4) 强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强追施加反向电压换流称为强迫换流。
通常是利用附加电容上的能量实现，也称电容换流。
晶闸管电路不能采用器件换流，根据电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流3种方式。器件换流只适用于全控型器件。
5.3.什么是电压型逆变电路?什么是电流型逆变电路?二者各有什么特点？
答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的称为逆变电路称为电压型 逆变电路，直流侧是电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。 电压型逆变电路的主要持点是：
1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。
2）直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。
3）流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。 电流型逆变电路的主要特点是：
1）侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 2）中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。
3）流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流测电惑起缓冲无功能量的作用。因为反馈无