1、第一章電力半導(dǎo)體器件習(xí)題與思考題解1-1.晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？怎樣使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？解：晶閘管導(dǎo)通的條件是：陽(yáng)極承受正向電壓，處于阻斷狀態(tài)的晶閘管，只有在門(mén)極 加正向觸發(fā)電壓，才能使其導(dǎo)通。門(mén)極所加正向觸發(fā)脈沖的最小寬度，應(yīng)能使陽(yáng)極電流達(dá)到 維持通態(tài)所需要的最小陽(yáng)極電流，即擎住電流 II以上。導(dǎo)通后的晶閘管管壓降很小。使導(dǎo)通了的晶閘管關(guān)斷的條件是：使流過(guò)晶閘管的電流減小至某個(gè)小的數(shù)值一維持電流 I H以下。其方法有二：1)減小正向陽(yáng)極電壓至某一最小值以下，或加反向陽(yáng)極電壓；2)增加負(fù)載回路中的電阻。1-2 ,型號(hào)為KP100-3的晶閘管，維持電流lH=4mA ,使用在題1-2圖中的電

2、路中是 否合理？為什么(不考慮電壓、電流裕量)？解：根據(jù)機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn) JB1144-75規(guī)定，KP型為普通閘管，KP100-3的晶閘管,其中100是指允許流過(guò)晶閘管的額定通態(tài)平均電流為100A , 3表示額定電壓為300V o對(duì)于圖(a),假若晶閘管因?yàn)?Iv < Ih ,而 Ih < Il,V被觸發(fā)開(kāi)通，由于電源為直流電源，則晶閘管流過(guò)的最大電流100 c AV 32 mA1V 500 103Il為擎住電流，通常Il=(24) Ih?？梢?jiàn)，晶閘管流過(guò)的最大電流遠(yuǎn)小于擎住電流，所以，圖(a)不合理。對(duì)于圖(b),電源為交流220V，當(dāng)a =0 °時(shí)，最大輸出平均電壓Ud

3、 0.45U2 0.45 220 99 (V)Ud99平均電流1VAR 一 一 9.9(A)1 R10波形系數(shù)Kf1.57 VAR所以，Iv = Kf。I var = 1.57 X9.9 = 15.5(A)而KP100-3允許流過(guò)的電流有效值為Ive = 1.57 X100 = 157(A) , Il< Iv< Ive,所以，電流指標(biāo)合理。但電路中晶閘管V可能承受的最大正反向峰值電壓為U Fm U Rm 2U ,2 220 311(V)>300(V) 所以，圖(b)不滿(mǎn)足電壓指標(biāo)，不合理。對(duì)于圖(c),電源為直流電源，V觸發(fā)導(dǎo)通后，流過(guò)V的最大電流為Iv= 150/1 =15

4、0(A),即為平均值，亦是有效值。而 Ive=150A , Iv= 150(A)<157(A),即 Il< Iv< Ive所以電流指標(biāo)合理。同時(shí)，晶閘管承受的正向峰值電壓為150V，小于300V ,電壓指標(biāo)合理。所以圖(c)合理。1-3 .在題圖 1-3 電路中，E=50V , R=0.5 Q ,L=0.5H ,晶閘管擎住電流為15mA 。要使晶閘管導(dǎo)通，門(mén)極觸發(fā)電流脈沖寬度至少應(yīng)為多少?解：晶閘管導(dǎo)通后，主回路電壓方程為didL- Riddt主電路電流id按下式由零上升E did R1 etR/ L晶閘管要維持導(dǎo)通,id必須上升達(dá)到擎住電流值以上，在此期間，門(mén)極脈沖應(yīng)繼續(xù)維

5、持，將Id=15mA代入,50t31 e 15 100.5t>150 科 s。所以，門(mén)極觸發(fā)電流脈沖寬度至少應(yīng)大于150 so1-4 .單相正弦交流電源，交流電源電壓有效值為 220V。晶閘管和負(fù)載電阻串聯(lián)連接。 試計(jì)算晶閘管實(shí)際承受的最大正反向電壓。若考慮晶閘管的安全裕量，其額定電壓應(yīng)如何選 取？解：該電路運(yùn)行可能出現(xiàn)施加于晶閘管上最大正反向峰值電壓為<2U<2 220 310 (V)若考慮晶閘管的安全裕量，通常選擇額定電壓為正常工作峰值電壓的2 3倍。2X310=620(V),3X310 =930(V),則選擇額定電壓為 700V1000V的晶閘管。1-5 .若題1-4中

6、晶閘管的通態(tài)平均電流為100A ,考慮晶閘管的安全裕量，試分別計(jì)算導(dǎo)電角為180 °和90 °時(shí)，電路允許的峰值電流各是多少？解：在不考慮安全裕量時(shí)，選擇晶閘管的原則是：使實(shí)際運(yùn)行管子電流的有效值IV1等于定義管子額定通態(tài)平均電流時(shí)的電流有效值Ive,即兩種情況下，管芯的結(jié)溫相同并小于或等于額定結(jié)溫。當(dāng)導(dǎo)通角0 =180 °時(shí)，121mIV1 : 20 ImSin t d t 萬(wàn)則有Im/2 =1.57 IVEAR所以，晶閘管允許的峰值電流為I m=2 X1.57 X100 =314 (A)當(dāng)導(dǎo)通角0 =90 °時(shí),則有7 L57IVEAR2.2Im2.

7、 2.2 .Imsin t d t2所以，晶閘管允許的峰值電流為I m 2 2 1.57 100444(A)時(shí)，電路允許的峰值電流為考慮取安全裕量數(shù)為 2時(shí)，則當(dāng)導(dǎo)通角e = 1801ml =314 /2= 157 A,當(dāng)導(dǎo)通角0=90°時(shí)，電路允許的峰值電流為I m2 =444 /2 = 222(A).1-6.題1-6圖中陰影部分表示晶閘管導(dǎo)電區(qū)間。各波形的電流最大值均為Im,試計(jì)算各波I1、I2、I3、I4、I5和它們的波形系數(shù)Kf1、形電流平均值Id1、Id2、Id3、Id4、Id5,電流有效值Kf2、 Kf3、 Kf4、 Kf5.1 -I m解：Id1Im.SIn td t

8、-0.32Im2 0I 2ImII ，20 ImSin t d t f 0.5ImI1,Kfe 1.57 Id1 2 1_3Id2 Im.Sin td t Im 0.24 Im 234I2 J ImSin t 2d t 0.46Im;23A?I d3I m.Sin td t321d23 , 八，-1m 0.48I m2_2ImSin t d3t 、2I2 0.65I mI d4I d513I d30.65Im0.48Im1.35I4021m.dt0.25Im2021mdtKf4d404 Im.dt2041mdtIm-2Im2I_m4Im20.5ImIm80.125I mm= 0.35I m 2

9、. 2I42.22.83I d4J m81-7 .題1-6中如果不考慮安全裕量，問(wèn) 100A晶閘管能送出的電流平均值Id1、 Id2、Id3、 Id4、Id5各是多少？這時(shí)相應(yīng)的電流最大值Im1、Im2、I m3、Im4、Im5 又是多少?解：額定通態(tài)平均電流IVEAR為100A的晶閘管允許通過(guò)電流的有效值為I VE I VEARkfe11001.57 157 A利用上題結(jié)果，圖（a）IVE 157 AIm1 =314(A)I d1Im314100A3.14圖(b)| 2 0.46Im Ive 157AIm 2=341(A)|d2 0.24lm 81.8a圖(c)| 3 0.65I m Ive

10、 157A則Im 3=241(A)Id3 0.48Im 115.9A圖(d) I 4 0.5Im Ive 157A則Im4=314(A)1d4 0.25Im 78.5A圖(e)Ive 157 A1I m2.2Im5 =444(A)I d5Im44455.5A1-8 .晶閘管的額定電流是怎樣定義的？有效值和平均值之間有何關(guān)系？解：晶閘管的額定電流即指其額定通態(tài)平均電流 IVEAR .它是在規(guī)定的條件下，晶閘管允 許連續(xù)通過(guò)工頻正弦半波電流的最大平均值。如教材圖1-8所示。這些條件是：環(huán)境溫度 + 4 0 C,冷卻條件按規(guī)定，單相半波整流電路為電阻負(fù)載，導(dǎo)通角不小于170 C,晶閘管結(jié)溫不超過(guò)額定

11、值。額定通態(tài)平均電流 I VEAR的電流等級(jí)如教材表1 2所示。通常 50 A以下的管子分為 1、5、10、20、30、50 A等級(jí)，100 1000 A 的管子分為 100、200、300、400、500、 600、800、1000 A等級(jí)。額定通態(tài)平均電流I vear與在同一定義條件下的有效值Ive具有如下關(guān)系：I VE K fe.I VEAR其中,KfeIve1 VEAR1.57 2為定義條件下的波形系數(shù)。1-9 .導(dǎo)通角e不同，電流的波形不一樣，如何來(lái)選擇晶閘管的電流容量？解：導(dǎo)通角e不同，電流的波形不一樣，因而波形系數(shù)亦不相同，e角愈小，波形系數(shù)愈大。晶閘管電流的有效值、平均值 IV

12、1AR與波形系數(shù)Kf1具有如下關(guān)系：Ivi = Kf1 I V1AR具有相同平均值而波形不同的電流，因波形不同，其有效值是不相同的。流經(jīng)同一晶閘管發(fā)熱情況也不相同，因?yàn)闆Q定發(fā)熱的因素是電流的有效值，管芯發(fā)熱效應(yīng)是和電流的有效值大小有關(guān)。因此，選擇晶閘管額定電流參數(shù)的原則是：使電路各種實(shí)際運(yùn)行情況下（特別是最不利的情況）管芯的結(jié)溫小于或等于額定結(jié)溫。這樣，就能保證晶閘管在實(shí)際運(yùn)行工作時(shí)，不致于 因電流過(guò)載而損壞。上述這一原則可歸結(jié)為：使實(shí)際運(yùn)行管子電流波形的有效值IV1,等于定義管子額定通態(tài)平均電流I vear時(shí)的電流有效值Ive ,即1 V1 1 VE K fe.I VEAR則晶閘管額定電流1

13、 VEAR1 V1屋1 V11.571-10 .晶閘管導(dǎo)通后，門(mén)極改加適當(dāng)大小的反向電壓，會(huì)發(fā)生什么情況？解：晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓，并已導(dǎo)通的情況下，門(mén)極就失去了控制作用。因此，晶 閘管導(dǎo)通后，門(mén)極改加適當(dāng)大小的反向電壓，晶閘管將保持導(dǎo)通狀態(tài)不變。1-11 .門(mén)極斷路時(shí)，晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓它會(huì)導(dǎo)通嗎？若真的導(dǎo)通，是什么情況?解：門(mén)極斷路時(shí)，晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓，有兩種情況可造成晶閘管的非正常導(dǎo)通。一是陽(yáng)極電壓 Ua過(guò)高，達(dá)到或超過(guò)Ig=O時(shí)的轉(zhuǎn)折電壓 UB0時(shí)，使漏電流急劇增加；二是Ua的電壓上升率 du A/dt太快。這兩種因素造成的最終結(jié)果都是使從N1區(qū)通過(guò)反向偏置的 J2結(jié)向P2

14、區(qū)(門(mén)極區(qū))注入了足夠數(shù)量的漏電流(空穴流)，充當(dāng)了二等效三極管電路中的基極電流IB2,它相當(dāng)于從門(mén)極提供的Ig的作用，使其二等效三極管的a1、a 2極快上升至a 1 + a 2= 1 ,即1-( a i + a 2)0,進(jìn)而使陽(yáng)極電流Ia大大增加，并只受外電路電阻的限制，晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這兩種不加門(mén)極觸發(fā)控制信號(hào)使晶閘管從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)的情況是非正常工作狀態(tài)，在實(shí)際使用中是不允許的，因?yàn)榘l(fā)生此類(lèi)情況常造成器件的損壞。1-12 .晶閘管的一些派生器件的主要功能和特點(diǎn)是什么？解：晶閘管的一些派生器件的主要功能和特點(diǎn)如下：(1) .快速晶閘管快速晶閘管的開(kāi)關(guān)時(shí)間短，動(dòng)態(tài)特性比普通晶閘管好

15、，快速晶閘管一般分為兩種，一種是主要是關(guān)斷時(shí)間短，另一種是di/dt是耐受量高。主要用于斬波與高頻逆變電路。(2)。雙向晶閘管雙向晶閘管是一種五層結(jié)構(gòu)的三端器件，具有四種觸發(fā)方式，分別為I+、I -、出+、出=，其中I +、I -觸發(fā)靈敏度較高，m _觸發(fā)靈敏度稍低，較為常用，而出+觸發(fā)靈敏度最低，一般不用，使用不當(dāng)會(huì)損壞晶閘管。雙向晶閘管主要用于交流電路，例如移相調(diào)壓控制、零電壓開(kāi)關(guān)和靜態(tài)開(kāi)關(guān)等。由于其內(nèi)部工藝結(jié)構(gòu)關(guān)系，目前器件的額定電壓和額定電流與普通晶閘管相比較還較低，重施加du/dt的能力也較差。(3)。逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管是將逆阻型晶閘管和大功率二極管集成在一個(gè)管芯上，與普通晶閘管相

16、比，具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、溫度特性較好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，消除了晶閘管與二極管之間的連線(xiàn)電感，減小了換流時(shí)間，使晶閘管承受反向偏壓的時(shí)間增長(zhǎng)，提高了換流 能力。而且減少了裝置的元件數(shù)目，縮小了體積，提高了經(jīng)濟(jì)性能。主要適用于逆變電路和 斬波電路。(4).可關(guān)斷晶閘管(GTO)可關(guān)斷晶閘管GTO ( Gate Turn-off Thyristor )既可用門(mén)極正脈沖信號(hào)控制其導(dǎo) 通，又可用門(mén)極負(fù)脈沖信號(hào)控制其關(guān)斷的逆阻型三端器件。與普通晶閘管相比，GTO快速 性好，工作頻率高，控制方便，其最高耐壓容量目前稍遜于普通晶閘管。GTO與普通晶閘管的關(guān)斷機(jī)理不同，有兩個(gè)重要的特征參數(shù)需要特別

17、注意，分別為最大可關(guān)斷電流I at。和電流關(guān)斷增益§ off。其定義分別為最大可關(guān)斷電流I ato :表征用門(mén)極負(fù)脈沖控制信號(hào)可關(guān)斷的最大陽(yáng)極電流，它是用來(lái) 表征GTO容量大小的參數(shù)。電流關(guān)斷增益B off：電流關(guān)斷增益的定義為陽(yáng)極電流I a與使其關(guān)斷所需的最小門(mén)極電流I G min的比值，即Ia off 1 G min通常GTO的§ off只有5左右，但是，GTO的導(dǎo)通或關(guān)斷只需一個(gè)窄脈沖電流即可， 它需要的是瞬時(shí)功率，盡管關(guān)斷時(shí)需要較大的負(fù)門(mén)極電流，但平均功率較小。因此，GTO 的平均激勵(lì)功率，比相同容量的大功率晶體管小。1-13 .何謂功率晶體管的開(kāi)關(guān)特性？用圖描述它

18、的開(kāi)關(guān)過(guò)程。功率晶體管的開(kāi)關(guān)特性是描述功率晶體管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的開(kāi)關(guān)時(shí)間、電流電壓、開(kāi)關(guān)損 耗等參數(shù)的性能。功率晶體管GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間可用開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff來(lái)表示，即t on = td + tr toff = ts+ tf 其中，td為延遲時(shí)間，tr為上升時(shí)間，ts為存值得時(shí)間，tf為下降時(shí)間。開(kāi)關(guān)損耗發(fā)生在器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，瞬態(tài)功率損耗為p= iCUc 維持的時(shí)間長(zhǎng)了，就有可能導(dǎo)致管子產(chǎn)生二次擊穿。總開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率（開(kāi)關(guān)次數(shù)）有 關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率愈高，總開(kāi)關(guān)損耗愈大。各種參數(shù)的開(kāi)關(guān)性能描述圖參閱教材P1819中的圖1-15和圖1-16。1-14 .描述功率晶體管的二次擊穿特性？解

19、：二次擊穿現(xiàn)象在發(fā)射結(jié)正偏壓、零偏壓和反偏壓都可能發(fā)生，其特性曲線(xiàn)參閱教材P19中的圖1 17。現(xiàn)以零偏壓曲線(xiàn) OEBGH來(lái)說(shuō)明二次擊穿現(xiàn)象的發(fā)生過(guò)程。當(dāng) Uce增大到Usb ,即達(dá)到E點(diǎn)時(shí)，集電極電壓達(dá)到通常所說(shuō)的擊穿電壓，集電結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，這就是一次擊穿。由于一次擊穿效應(yīng)，晶體管的電流迅速上升到B點(diǎn)，達(dá)到 I sb,即達(dá)到了二次擊穿觸發(fā)功率Psb,進(jìn)入了二次擊穿區(qū)。但并不立即產(chǎn)生二次擊穿，而需要一個(gè)觸發(fā)時(shí)間來(lái)積累觸發(fā)能量臨界值，一旦達(dá)到這個(gè)臨界值，管壓突然從B點(diǎn)Usb減小到G點(diǎn)的低電壓區(qū)（1015V）,同時(shí)電流急劇增大。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，電流將繼續(xù)沿GH曲線(xiàn)增大到H點(diǎn)，造成管子的永久性損壞。這種從高電壓小電流向低電壓大電流躍變的現(xiàn)象，稱(chēng)為晶體管 的二次擊穿。二次擊穿觸發(fā)時(shí)間r ,對(duì)于不同類(lèi)型的二次擊穿，時(shí)間的長(zhǎng)短相差很大，短的幾乎是瞬時(shí)的，晶體管的狀態(tài)不能穩(wěn)定在BG區(qū)域內(nèi)，而且G點(diǎn)是不可逆的，即使電路的保護(hù)措施 可使晶體管回到觸發(fā)前的狀態(tài)，但二次擊穿已在管子內(nèi)部留下了損害傷痕，性能變壞，重復(fù) 幾次仍然使管子永久性失效。1-5 .為什么功率晶體管在開(kāi)關(guān)瞬變過(guò)程中容易被擊穿？可采取什么措施防止？解：在電路開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬變過(guò)程中，電路