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《电力电子技术》习题参考答案

1.电力电子器件基础

1.1简述晶闸管（SCR）的导通与关断条件，并分析其擎住效应的物理意义。

解答：晶闸管导通条件为：阳极与阴极间加正向电压（正向偏置），同时门极与阴极间加适当的正向触发脉冲（门极正向偏置）。此时，晶闸管内部PNPN四层结构中，当门极电流注入后，触发N1区电子向P2区扩散，引发两个等效晶体管（PNP和NPN）的正反馈导通，使晶闸管进入低阻导通状态。

关断条件为：阳极电流降至维持电流以下（IA＜IH），或阳极与阴极间电压反向（反向偏置），破坏其正反馈维持的导通状态。

擎住效应指晶闸管一旦导通，门极失去控制作用的现象。其物理意义在于：当晶闸管导通后，内部载流子浓度足够高，即使撤去门极触发信号，正反馈机制仍能维持阳极电流，确保器件可靠导通，避免因门极信号波动导致误关断。

1.2比较IGBT与MOSFET的静态特性与动态特性差异，并说明IGBT在高压场合的优势。

解答：静态特性差异：

-MOSFET为电压驱动型器件，输入阻抗高，导通电阻RDS(on)随电压等级升高呈指数增长（高压MOSFET导通损耗大）；

-IGBT为MOS结构与BJT的复合器件（绝缘栅双极晶体管），输入特性类似MOSFET（电压驱动），输出特性类似BJT（电流控制），导通时由P+发射极注入空穴到N-漂移区，形成电导调制效应，显著降低导通压降（尤其在高压场景）。

动态特性差异：

-MOSFET开关速度快（纳秒级），无少子存储效应，关断时无拖尾电流；

-IGBT存在少子存储（N-漂移区的空穴存储），关断时会产生拖尾电流（微秒级），开关速度略慢于MOSFET，但优于GTR（双极型晶体管）。

IGBT在高压场合的优势：由于电导调制效应，IGBT的导通压降随电压升高仅线性增加（MOSFET为指数增加），因此在600V以上高压场景中，IGBT的导通损耗远低于MOSFET；同时，IGBT保持了MOSFET电压驱动的优点（驱动电路简单），克服了GTR电流驱动（驱动功率大）的缺点，因此成为中高压（1kV~6.5kV）电力电子装置（如变频器、电力机车变流器）的核心器件。

2.整流电路分析

2.1单相桥式全控整流电路带阻感负载（L足够大，电流连续），交流电源电压u2=220√2sinωtV，触发角α=30°，负载电阻R=5Ω。计算：（1）输出电压平均值Ud；（2）晶闸管电流平均值IdT与有效值IT；（3）变压器二次侧电流有效值I2。

解答：

（1）单相桥式全控整流电路带阻感负载（电流连续）时，输出电压平均值公式为：

Ud=(2√2U2/π)cosα

代入U2=220V，α=30°，cos30°=√3/2≈0.866，得：

Ud=(2×1.414×220/3.1416)×0.866≈(622.16/3.1416)×0.866≈198×0.866≈171.5V

（2）负载电流平均值Id=Ud/R=171.5/5≈34.3A。

由于桥式电路中两个晶闸管轮流导通（各导通180°），晶闸管电流平均值IdT=Id/2=34.3/2≈17.15A。

晶闸管电流有效值IT=Id×√(1/2)=34.3×0.707≈24.2A（因每个周期中晶闸管导通180°，占空比1/2，故有效值为Id×√(导通时间/周期)=Id×√(1/2)）。

（3）变压器二次侧电流i2波形为正负对称的矩形波（电流连续时），其有效值I2=Id=34.3A（因i2波形与负载电流波形一致，正负半周各导通180°，有效值等于负载电流有效值）。

2.2三相半波可控整流电路带电阻负载，交流电源线电压UL=380V，触发角α=60°，负载电阻R=10Ω。绘制输出电压ud波形，并计算输出电压平均值Ud与负载电流有效值I。

解答：

三相半波可控整流电路中，电源相电压U2=UL/√3=380/1.732≈220V。

输出电压平均值公式（电阻负载，α≤30°时电流连续；α＞30°时电流断续）：

当α=60°＞30°，电流断续，此时Ud=(3√2U2/(2π))(1+cos(α+30°))。

代入数据：

Ud=(3×1.414×220/(2×3.1416))×(1+cos(60°+30°))

=(933.24/6.2832)×(1+cos90°)

≈148.5×(1+0)=148.5V

输出电压波形特点：每个晶闸管用触发角α=60°触发（相对于相电压自然换相点后移60°），每个周期（360°）内有3个导通区间，每个导通区间的电角度为θ=150°-α=90°（因α＞30°时，导通角θ=180°-2α+60°？需修正：实际三相半波电阻负载