电力电子部分习题参考答案
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UAK >0
且UGK>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。 关断方法有二：一、加反向电压；二、使电流小于维持电流
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Im ， 试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3，和它们的波形系数Kf1，Kf2，Kf3。
题图2.1 晶闸管导电波形
解： a) Id1=
12????4?Imsin(?t)?4Im2(?1)?0.27Im 2?21 I1=2???(Imsin?t)2d(wt)?Im231??0.48Im 42?Kf1?I1/Id1?0.48Im/0.27Im?1.78
I1?2 b) Id2=??Imsin?td(wt)?m(?1)?0.54Im
?422I2=1???4?(Imsin?t)2d(wt)?2Im231??0.67Im 42?Kf2?I2/Id2?0.67Im/0.54Im?1.24
1 c) Id3=
2???20Imd(?t)?1Im 4- 1 -
电力电子部分习题参考答案
1 I3=2???20Im2d(?t)?1Im 2Kf3?I3/Id3?0.5Im/0.25Im?2
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IT(AV)=100A的晶闸管，允许的电流有效值I=157A） a)
Id1?1.57IT(AV)1.5Kf1?1.57*100?58.8(A)
1.5*1.78Im1?Id1/Kf?58.8/0.27?217.78(A)
b)
Id2?1.57IT(AV)1.5Kf2?1.57*100?84.4(A)
1.5*1.24Im2?Id2/Kf2?84.4/0.54?156.30(A)
c)
Id3?1.57IT(AV)1.5Kf3?1.57*100?52.3(A)
1.5*2Im3?Id2/Kf3?52.3/0.25?209.2(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?1和?2，由普通晶阐管的分析可得，?1??2?1是器件临界导通 的条件。
?1??2＞1?两个等效晶体管过饱和而导通；?1??2＜1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?2较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断;
2) GTO导通时?1??2的更接近于l，普通晶闸管?1??2?1.5，而GTO则为?1??2?1.05，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：
- 2 -
电力电子部分习题参考答案
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 IGBT 优点 开关速度高，开关损耗小，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 GTR 耐压高，电流大，开关特性好，开关速度低，为电流驱动，所通流能力强，饱和压降低 需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题 GTO 电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强 电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂.开关频率低 电力MOSFET 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的缺点 开关速度低于电力MOSFET，电压，电流容量不及GTO 驱动电路简单，工作频率高，电力电子装置 不存在二次击穿问题
第三章
3.1 具有续流二极管的单相半波相控整流电路，当控制角?为30?U2?220V,R?7.5?,L 值极大，和60?时，要求： 1) 作出ud,id,i2的波形；
2) 计算整流输出平均电压Ud、输出电流Id、变压器二次测电流有效值I2； 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?时：
- 3 -
电力电子部分习题参考答案
1) ud,id,i2的波形如下页所示。 2） 整流输出平均电压Ud
1Ud?2?2U2(1?cos?)??2?
1?cos?1?cos30??0.45U2?0.45*220*?92.37(V)22?2U2sin?td?t?输出电流Id：
Id?Ud92.37?＝12.32（A） R7.5变压器：
I2=IVT?12????Id2d?t?Id??????/6?12.32*?7.95(A) 2?2?3）晶闸管的电流平均值和有效值：
IdVT???????/6Id?*12.32?5.13(A) 2?2?I2=IVT?(Id????)7.95(A) 2?续流二极管的电流平均值和有效值：
IdVDR???????/6Id?*12.32?7.19(A) 2?2?IVDR1?2???2???2Idd(?t)?Id??????/6?12.32*?9.41(A) 2?2?4）晶闸管承受的最大正反向峰值电压为：
UTM?2U2?2*220?311(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：IVT?7.95A
a)TVTu1u2u2uVTudidiVDRLVDRR考虑1.5（～2）倍安全裕量，则：
IIVT(AV)?1.5(~2)*VT1.57
7.95?1.5(~2)*?7.6(~10.1)(A)1.57同理可得??60?时：
2） 整流输出平均电压Ud?74.25(V) 输出电流Id：Id?9.9 （A）b)?tOudO1?t?tId?tidiVTiVDRuVTOOOId?-?+???t?tO?t- 4 -
电力电子部分习题参考答案
变压器：
I2=IVT?5.72(A)
3）晶闸管的电流平均值和有效值：
IdVT?3.3(A)
I2=IVT?5.72(A)
续流二极管的电流平均值和有效值：
IdVDR?6.6(A) IVDR?8.08(A)
4）晶闸管承受的最大正反向峰值电压为：UTM?2U2?2*220?311(V)
考虑2倍安全裕量，故取晶闸管的额定电压为700V 通过晶闸管的电流有效值为：IVT?5.72A
考虑1.5（～2）倍安全裕量，则： IVT(AV?)5.5~7.A3 ()3.4 .单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=20?，L值极大，当?=30?时， 要求：
①作出Ud、Id和I2的波形;
2b) 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; Oud③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。
?t解： ① Ud、Id和I2的波形如下图：
VT1VT3 a) TidO?tIdIdIdIdIdidiVTO1,4i2a?t?t?t?tu1 u2budLiVTO2,3Oi2 RuVTVT2
VT4O1,4O?t② 输出平均电压Ud、Id和变压器二次电流有效值I2分别为
Ud?Id?1??????2U2sin?td?t?2U2?cos??0.9U2cos??0.9*100*cos30??77.94(V)
UdU?77.94(?0.92.cos?)?38.97(A) RR2I2?Id?38.97(A)
③晶闸管承受的最大反向电压为： UTM?2U2?141.4V 考虑(2~3)倍安全裕量，晶闸管的额定电压为： UN=(2~3)×141.4=283~424(V)
- 5 -
电力电子部分习题参考答案
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：
IVT?Id/2 ?27.55(A) 晶闸管的额定电流为： IVT(AV)?(1.5~2)*IVT27.55 ?(1.5~2)*?(26.32~35.1) (A) 1.571.57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Ud的波形。
解：假设?=0?，当负载为电阻时， Ud的波形如下：
当负载为电感时，Ud的波形如下：
3.10三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=50?，L值极大，当?＝60?时，求： ①画出ud,id和iVT1的波形；②计算Ud、Id、IdVT和IVT
解： ①ud,id和iVT1的波形如下图所示：
- 6 -
电力电子部分习题参考答案
② Ud、Id、IdV和TIVT分别为：
3Ud?2?Id????2?（??）?636??2U2sin(wt)d(wt)?1.17U2cos??117*100*cos?3?58.5(V)
Ud?58.5/5?11.7(A) R11IdVT?Id?*11.7?3.9(A)
33IVT?11Id?*11.7?6.75(A) 333.11.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，U2 =100V，带电阻电感负载R=50?，L值极大， 当?=60? 时，求：
①画出ud,id和iVT1的波形 ②计算Ud、Id、IdV和TIVT
解：①ud,id和iVT1的波形如下：
- 7 -
电力电子部分习题参考答案
② Ud、Id、IdVT和IVT分别为：
6Ud?2?Id???2???3??6U2sin(wt)d(wt)?2.34U2cos??2.34*100*cos?3?117(V)
3Ud11?117/5?23.4(A) IdVT?Id?*23.4?7.8(A) R33 IVT?11Id?*23.4?13.5(A) 333.13 单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1?，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LB时，有：Ud????1???2U2sin?td?t?2U2?cos??0.9U2cos?
Ud????1???2U2sin?td?t-?Ud?2U2?cos?-?Ud?0.9U2cos?-?Ud…（1）
?Ud＝2XBId/?…………………………………………（2）
Id=(Ud?E)/R…………………………………………（3）
XB?wLB?(2?*50)*(0.5*10?3)?0.157………………（4）
解（1）、（2）、（3）方程组得：
Ud?(?R0.9U2cos??2XBE)/(?R?2XB)?44.55(V)
?Ud?0.455(V) Id?4.55(A)
- 8 -
电力电子部分习题参考答案
由 cos??cos(???)?2IdXB得： U2cos(60???)?0.4898(??60?)，则??60.67??60??0.67?
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?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
4.2 在图4.1所示的Buck型电路中，已知Ui?100V，
R?10?，L??，C??，采用PWM控制方式。
当
输出电流
T?50?s，ton?20?s，计算输出电压平均值Uo和
平均值Io。
- 9 -
电力电子部分习题参考答案
解：Uo?D*Ui?
ton20*Ui?*100?40(A) T50Io?Uo/R?40/10?4(A)
4.3在图4.1所示的Buck型电路中，已知Ui?12V，开关频率f?100kHz，C?330?F，Uo?5V，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?iL；
（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?Uo。
解： （1）Uo?D*Ui?D?Uo5??0.417 Ui12Ui?Uo12?55129.19*10?6?iL?*DT?**?(A) 3LL12100*10L（2）当Io?1A时，若保持电感电流连续必须有：
L1?D? RT2又? Io?Uo/R?R?Uo/Io?5/1?5(?)
? L?1?D1?0.4171?5*RT?*5*?1.458*10(H) 322100*10即保证电感电流连续的临界电感值L为：L?14.58?H
Uo(1?D)5*(1?0.417)0.1104*10?6（3）?U???(V) 2?6328LCf8L*330*10*(100*10)L（L?14.58?H时，?U?7.57mV）
4.4 在图4.7 所示的Boost型电路中，已知Ui?50 V，
L??，C??，R?20?，采用PWM控制方式。
当T?50?s，ton?20?s，计算输出电压平均值Uo和输出电流平均值Io。
解：Uo?111*Ui?*Ui?*50?133.3(A) 1?D1?ton/T1?25/40- 10 -
电力电子部分习题参考答案
Io?Uo/R?133.3/20?6.67(A)
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。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。
5.4.电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么?
答：在电压型逆变电路中，当交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。当输出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。
- 11 -
电力电子部分习题参考答案
第六章
6.1 电阻炉由单相交流调压电路供电，如?=0时为输出功率为最大值，试求功率为最大输出功率的80%，50%时的控制角?。
解： 因电阻炉为纯电阻负载，?=0时导通角为?，电流电压波形均连续，有： Uomax???1?02U1sin(?t)d(?t)?U1
2UmaxU12??
RR 此时负载输出功率最大，为： Pomax2P0Uo/R 当P时，?80%P??80% 00maxP0maxU12/R?Uo?0.8U1
又?Uo?U1sin2?/2??(???)/?
??60?
??90? 同理可得，当P0?50%P0max时，
6.2单相交流调压电器，电源为工频220V，阻感串联作为负载，其中R?0.5?，L?2mH。试求：
（1） 控制角?的变化范围；
（2） 负载电流的最大值；
（3） 最大输出功率及此时电源侧的功率因数；
（4） 当???/2时，晶闸管电流有效值、晶闸管导通角和电源侧功率因数。
解： （1）阻抗角
wL(2?*50)*(2*10?3)??arctan?arctan?arctan1.257?51.5?
R0.5故控制角?的变化范围为：51.5????180?
（2）???时，负载电流连续，此时负载电流的有效值最大，有
Idmax?U0U0220220????274(A)
222?32|Z|0.803R?X0.5?(2?*50*2*10)（3）当负载电流最大时有最大的输出功率（输出功率指的是有功功率），则：
22P0max?Iomax*R?274*0.5?37538(W)
此时电源侧的功率因数为：
??P0max/Sin?I2omax*R/UinIomax?274*0.5/220?0.623
（4）当???/2，??51.5?时，查??f(?,?)的函数曲线可得：??140?
- 12 -
电力电子部分习题参考答案
负载电流（输出电流）的有效值为：
Io?U1sin?cos(2?????)???241.6(A)
cos?Z?则晶闸管电流有效值为：IVT?I0/2?241.6/2?170.8(A)
电源侧功率因数为：??P0/Sin?Io*R/UinIo?241.6*0.5/220?0.55
2- 13 -