第一章 电力半导体器件习题与思考题解1-1．晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？解：晶闸管导通的条件是：阳极承受正向电压，处于阻断状态的晶闸管，只有在门极加正向触发电压，才能使其导通。

门极所加正向触发脉冲的最小宽度，应能使阳极电流达到维持通态所需要的最小阳极电流，即擎住电流ＩＬ以上。

导通后的晶闸管管压降很小。

使导通了的晶闸管关断的条件是：使流过晶闸管的电流减小至某个小的数值－维持电流ＩＨ以下。

其方法有二：１）减小正向阳极电压至某一最小值以下，或加反向阳极电压； ２）增加负载回路中的电阻。

1-2．型号为KP100-3的晶闸管，维持电流I H =4mA ，使用在题1-2图中的电路中是否合理？为什么（不考虑电压、电流裕量）？解：根据机械工业部标准JB1144-75规定，ＫＰ型为普通闸管，KP100-3的晶闸管，其中100是指允许流过晶闸管的额定通态平均电流为100A ，3表示额定电压为300V 。

对于图(a)，假若晶闸管V 被触发开通，由于电源为直流电源，则晶闸管流过的最大电流为()mA IV2105001003=⨯=因为I V < I H ，而I H < I L ，I L 为擎住电流，通常I L =(2~4) I H 。

可见，晶闸管流过的最大电流远小于擎住电流，所以，图(a)不合理。

对于图(b)，电源为交流220V ，当α=0°时，最大输出平均电压 9922045.045.02=⨯=≈U Ud（Ｖ）平均电流9.91099===R U d VAR I (A)波形系数57.1≈=VARVfI I K所以， ＩＶ＝K f 。

ＩＶＡＲ＝1.57×9.9＝15.5(A)而KP100-3允许流过的电流有效值为I VE ＝1.57×100＝157(A)， I L < I V <I VE ，所以，电流指标合理。

但电路中晶闸管Ｖ可能承受的最大正反向峰值电压为31122022≈⨯===U U URm Fm(V)>300(V)所以，图(b)不满足电压指标，不合理。

对于图(c)，电源为直流电源，Ｖ触发导通后，流过Ｖ的最大电流为I V ＝150／1＝150(A),即为平均值，亦是有效值。

而I VE ＝150A ，I V ＝150(A)<157（A ），即I L < I V <I VE ,所以电流指标合理。

同时，晶闸管承受的正向峰值电压为150V ，小于300V ，电压指标合理。

所以图(c)合理。

1-3．在题图1-3电路中，E =50V ，R =0.5Ω，L =0.5H ，晶闸管擎住电流为15mA 。

要使晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？解：晶闸管导通后，主回路电压方程为 E Ri dtdi L d d=÷ 主电路电流d i 按下式由零上升 ()L tR d e REi /1--=晶闸管要维持导通，i d 必须上升达到擎住电流值以上，在此期间，门极脉冲应继续维持，将I d =15mA 代入，得()3101515.050--⨯≥-t e 取t et-≈-1，t ≥150μs 。

所以，门极触发电流脉冲宽度至少应大于150μs 。

1-4．单相正弦交流电源，交流电源电压有效值为220V 。

晶闸管和负载电阻串联连接。

试计算晶闸管实际承受的最大正反向电压。

若考虑晶闸管的安全裕量，其额定电压应如何选取？解：该电路运行可能出现施加于晶闸管上最大正反向峰值电压为 31022022≈⨯=U （V ）若考虑晶闸管的安全裕量，通常选择额定电压为正常工作峰值电压的2－3倍。

２×310＝620(V),3×310＝930(V),则选择额定电压为700V ～1000V 的晶闸管。

1-5．若题1-4中晶闸管的通态平均电流为100A ，考虑晶闸管的安全裕量，试分别计算导电角为180°和90°时，电路允许的峰值电流各是多少？解： 在不考虑安全裕量时，选择晶闸管的原则是：使实际运行管子电流的有效值I V1等于定义管子额定通态平均电流时的电流有效值I VE ，即两种情况下，管芯的结温相同并小于或等于额定结温。

当导通角θ＝180°时，()()2sin 21021m mV I t d t I I ==⎰πωωπ则有 I m /2＝1.57I VEAR 所以，晶闸管允许的峰值电流为Ｉm =2×1.57×100＝314（Ａ） 当导通角θ＝90°时，()()22sin 21221m mV I t d t I I ==⎰ππωωπ则有VEAR m I I 57.122=所以，晶闸管允许的峰值电流为44410057.122≈⨯⨯=Im(A)考虑取安全裕量数为2时，则当导通角θ＝180°时，电路允许的峰值电流为 I m1=314／2＝157Ａ， 当导通角θ＝90°时，电路允许的峰值电流为Ｉm2＝444／2＝222(A).1-6.题1-6图中阴影部分表示晶闸管导电区间。

各波形的电流最大值均为I m ,试计算各波形电流平均值I d1、I d2、I d3、I d4、I d5，电流有效值I 1、I 2、I 3、I 4、I 5和它们的波形系数K f1、K f2、K f3、K f4、K f5.解： ()⎰≈==ππωωπ132.0.21m mm d I I t td Sin I I()()m m mI I t d t Sin I I 5.0221021===⎰πωωπ57.1211≈==πd fe I I K ()⎰≈==πππωωπ3224.043.21m m m d I I t td Sin I I ()()m mI t d t Sin I I 46.021322≈=⎰ππωωπ92.123.049.02≈=mmf I I K()⎰≈===πππωωπ32348.0232.22m m d m d I I I t td Sin I I()()m mI I t d t Sin I I 65.02222323≈==⎰ππωωπ35.148.065.0333≈==mmd f I I I I K ⎰==⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅==20425.0422.21ππππm m m m d I II dt I I m mm I I dt I I 5.02212024===⎰ππ242444===m md f I I I I K ⎰==⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅==405125.0842.21ππππm mm m d I I I dt I I m m m I I dt I I 35.022214025≈==⎰ππ83.2822445≈==m md f I I I I K1-7．题1-6中如果不考虑安全裕量，问100A 晶闸管能送出的电流平均值I d1、I d2、I d3、I d4、I d5各是多少？这时相应的电流最大值I m1、I m2、I m3、I m4、I m5又是多少？解：额定通态平均电流I VEAR 为100A 的晶闸管允许通过电流的有效值为A kf I e VEAR VEI15757.11001=⨯=⨯=利用上题结果，图(a)A I I VE m I 157211===则 I m1=314(A)A I md I 10014.33141===π图（b ）A I I VE m I15746.02===则 I m ２=341(A) A I m d I8.8124.02==图(c)A I I VE m I15765.03===则 I m ３=241(A) A I m d I9.11548.03==图(d)A I I VE m I1575.04===则 I m ４=314(A) A I m d I5.7825.04==图(e)A I I VE m I 1572215===则 I m5=444(A) A I m d I 5.55844485===1-8．晶闸管的额定电流是怎样定义的？有效值和平均值之间有何关系？解：晶闸管的额定电流即指其额定通态平均电流ＩVEAR .它是在规定的条件下，晶闸管允 许连续通过工频正弦半波电流的最大平均值。

如教材图1-8所示。

这些条件是：环境温度+４０℃，冷却条件按规定，单相半波整流电路为电阻负载，导通角不小于170℃，晶闸管结温不超过额定值。

额定通态平均电流ＩVEAR 的电流等级如教材表１－２所示。

通常50Ａ以下的管子分为1、5、10、20、30、50Ａ等级，100－1000Ａ的管子分为100、200、300、400、500、600、800、1000Ａ等级。

额定通态平均电流ＩVEAR 与在同一定义条件下的有效值I VE 具有如下关系： VEAR fe VE I K I .=其中， 57.12≈==πVEARVE fe I I K 为定义条件下的波形系数。

1-9．导通角θ不同，电流的波形不一样，如何来选择晶闸管的电流容量？解：导通角θ不同，电流的波形不一样，因而波形系数亦不相同，θ角愈小，波形系数愈大。

晶闸管电流的有效值、平均值ＩV1AR 与波形系数K f1具有如下关系： I V1 = K f1ＩV1AR具有相同平均值而波形不同的电流，因波形不同，其有效值是不相同的。

流经同一晶闸管发热情况也不相同，因为决定发热的因素是电流的有效值，管芯发热效应是和电流的有效值大小有关。

因此，选择晶闸管额定电流参数的原则是：使电路各种实际运行情况下（特别是最不利的情况）管芯的结温小于或等于额定结温。

这样，就能保证晶闸管在实际运行工作时，不致于因电流过载而损坏。

上述这一原则可归结为：使实际运行管子电流波形的有效值ＩV1，等于定义管子额定通态平均电流ＩVEAR 时的电流有效值I VE ，即VEAR fe VE V I K I I .1== 则晶闸管额定电流57.111V fe V VEAR IK I I ==1-10．晶闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，会发生什么情况？解：晶闸管承受正向阳极电压，并已导通的情况下，门极就失去了控制作用。

因此，晶闸管导通后，门极改加适当大小的反向电压，晶闸管将保持导通状态不变。

1-11．门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压它会导通吗？若真的导通，是什么情况？解：门极断路时，晶闸管承受正向阳极电压，有两种情况可造成晶闸管的非正常导通。

一是阳极电压U A过高，达到或超过I G＝０时的转折电压U B0时，使漏电流急剧增加；二是U A的电压上升率du A／dt太快。

这两种因素造成的最终结果都是使从N1区通过反向偏置的J2结向P2区（门极区）注入了足够数量的漏电流（空穴流），充当了二等效三极管电路中的基极电流I B2，它相当于从门极提供的I G的作用，使其二等效三极管的α1、α2极快上升至α1＋α2≈１，即1-(α1＋α2)≈０，进而使阳极电流I A大大增加，并只受外电路电阻的限制，晶闸管进入导通状态。