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文檔簡(jiǎn)介

1、作業(yè)1要求:(1)完成電阻電感負(fù)載下單相橋式整流電路的設(shè)計(jì),其中電源電壓是頻率為50Hz、幅值為310V、初相角為0的正弦周期電壓源,負(fù)載電阻為2,負(fù)載電感為6.5mH。模擬觸發(fā)角為00、300、600時(shí)的工作過程,并分析整流的特點(diǎn)和工作過程。(2)將負(fù)載電感修改為20mH后模擬觸發(fā)角為00、300 、600的工作過程,并分析負(fù)載電感對(duì)單相橋式整流電路特性的影響。分析負(fù)載電感對(duì)輸出直流電壓的影響,并提出消除這種影響的方法。(3)將電源電壓的phase屬性值修改為10后模擬觸發(fā)角為300的情況,這時(shí)應(yīng)該修改元件的那些屬性值才能夠得到正確的結(jié)果。你是怎樣判斷得到結(jié)果的正確性。(4)在負(fù)載中增加一1

2、00V的直流反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載(電感保持為6.5mH),分析負(fù)載電流的特性。作觸發(fā)角為00,300時(shí)的仿真分析。實(shí)驗(yàn)一1. 第(1)問的仿真與分析單相橋式整流電路仿真電路見下圖1,其中電源電壓是頻率為50Hz、幅值為310V、初相角為0的正弦周期電壓源,負(fù)載電阻為2,負(fù)載電感為6.5mH。Clock1與clock2的延時(shí)角始終相差半個(gè)周期,即10m秒。圖 1單相橋式整流電路觸發(fā)角為0度時(shí)的仿真波形如下圖2。從上到下的波形分別為控制信號(hào)、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形,這5種信息。圖 2 觸發(fā)角a=0度的波形分析:(1)觸發(fā)角為0度時(shí),整流相當(dāng)于對(duì)電壓波的值取絕對(duì)值,即

3、效果單相橋式二極管整流效果一致,如圖中的Vout。晶閘管承受反向電壓,即輸入電壓的負(fù)半軸,如圖中第三行的波形。負(fù)載電流為非理想的正弦波,其相角滯后于電壓相角,這正是由于負(fù)載為感性負(fù)載所致。Clock1與clock2正好相差10m秒。(2)四個(gè)晶閘管每次有兩個(gè)開通,有兩個(gè)關(guān)閉,同一半橋的晶閘管的開關(guān)狀態(tài)是互補(bǔ)的,對(duì)角的兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)閉。觸發(fā)角為30度時(shí)的仿真波形如下圖3。從上到下的波形分別為控制信號(hào)、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形,這5種信息。圖 3 觸發(fā)角為30度的波形分析:(1) 觸發(fā)角為30度時(shí),整流整流出的波形有變化,并且有小于0的電壓出現(xiàn),如圖

4、中的Vout。(2) 晶閘管承受反向電壓,仍為輸入電壓波形,如圖中第三行的波形,在導(dǎo)通時(shí)的電壓為0。(3) 負(fù)載電流為非理想的正弦波,其相角滯后于電壓相角,但電流時(shí)鐘大于0,并且連續(xù),這正是由于負(fù)載為感性負(fù)載所致。(4) 出現(xiàn)輸出電壓為負(fù)值的原因是電感負(fù)載續(xù)流的作用,此時(shí)導(dǎo)通的晶閘管仍承受正向電壓的作用,流過正向電流。從上圖的輸出電壓Vout和晶閘管VT1的正向壓降可以看出在Vout為負(fù)值是,仍導(dǎo)通。觸發(fā)角為60度時(shí)的仿真波形如下圖4。從上到下的波形分別為控制信號(hào)、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形,這5種信息。圖 4 觸發(fā)角為60度的波形分析:(1)觸發(fā)角為60度

5、時(shí),整流整流出的波形變得非常異常,有脈沖電壓輸出,并且有小于0的電壓出現(xiàn),如圖中的Vout。(2)晶閘管承受反向電壓,不為輸入電壓波形,如圖中第三行的波形,和輸出電壓的波形很有關(guān)系,出現(xiàn)在同一時(shí)刻出現(xiàn)過電壓。(3)仿真所得結(jié)果負(fù)載電流為脈動(dòng)波,斷續(xù)的,同時(shí)比較輸出電壓和輸出電流可以發(fā)現(xiàn)在每一時(shí)刻時(shí)鐘乘積為零,即沒有功率輸出。(4)上述情況為非正常工作狀態(tài),可能是由于負(fù)載與晶閘管的不匹配,或仿真的解不真實(shí)。2. 第(2)問的仿真與分析將電感值修改為20mH,其他電路參數(shù)不變,同樣可以得到上述不同觸發(fā)角的波形。觸發(fā)角為0度時(shí)的仿真波形如下圖5。從上到下的波形分別為控制信號(hào)、輸入單相電壓、晶閘管VT

6、1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形,這5種信息。圖 5 電感改為20mH,觸發(fā)角為0度的波形分析:(1) 電感的值增大到20mH時(shí),可以看出輸出的電壓波形Vout比在電感為6.5mH時(shí)直流成分更好了,紋波減小了很多。(2) 電壓波形和晶閘管承受反向電壓基本無變化。觸發(fā)角為30度時(shí)的仿真波形如下圖6。從上到下的波形分別為控制信號(hào)、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形,這5種信息。圖 6電感改為20mH,觸發(fā)角為30度的波形分析:(1) 電感電感的值增大到20mH時(shí),可以看出輸出的電壓波形Vout比在電感為6.5mH時(shí)直流成分更好了,紋波減小了很多。(2) 輸出負(fù)載電

7、流滯后與電壓的角度更大了,其他波形并無變化。觸發(fā)角為60度時(shí)的仿真波形如下圖7。從上到下的波形分別為控制信號(hào)、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形,這5種信息。圖 7電感改為20mH,觸發(fā)角為60度的波形分析:(1) 電感的值增大到20mH時(shí),可以看出輸出的電壓波形Vout比在電感為6.5mH時(shí)直流成分更好了,紋波減小了很多。(2) 輸出電壓比較正常,輸出負(fù)載電流為連續(xù)的,這正是由于負(fù)載電感增大的作用。綜述:負(fù)載電感對(duì)直流輸出電壓有較大的影響,比較大的電感會(huì)使得負(fù)載的電流紋波較小,而且會(huì)使負(fù)載電流的連續(xù)性好。電感較小可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)載斷續(xù)的情況。消除這種情況的措施是在在輸

8、出端反并聯(lián)一個(gè)二極管,起到續(xù)流的作用,供給負(fù)載儲(chǔ)能元件以回路。3. 第(3)問的仿真與分析將輸入相電壓初相為10度,則當(dāng)需要觸發(fā)角為30度時(shí),脈沖將為延遲(30-10)=20度,即10m/9。需要修改的參數(shù)如下圖,將clock1的延時(shí)改為10m/9,clock2的延時(shí)改為10m+10m/9。即可仿真得到題目所需要。 仿真可以得到電壓源初相為10度,觸發(fā)角為30度時(shí)的波形,如下圖8。圖 8 電壓源初相10度,觸發(fā)角為30度時(shí)的波形為了能驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性,我們可以將其波形放大后觀察,如下圖9。圖 9電壓源初相10度,觸發(fā)角為30度時(shí)局部放大的波形可以看出在20m處,輸入正弦電壓沒有與0軸相交,

9、即確實(shí)是移相了,另外也可以從時(shí)鐘信號(hào)clock1和clock2看出。此外,我們可以把此結(jié)果與前面的30度觸發(fā)角的情況做對(duì)比,即圖8與圖3做對(duì)比,可以看出。所以仿真結(jié)果是正確的。4. 第(3)問直流100V反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載后的情況在電路原理圖負(fù)載中串聯(lián)一個(gè)100V反電動(dòng)勢(shì),直流電壓源,電阻為2歐,電感為6.5mH。觸發(fā)角為0度時(shí)的仿真波形如下圖10。從上到下的波形分別為控制信號(hào)、輸入單相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形,這5種信息。圖 10 觸發(fā)角為0度,接反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的波形觸發(fā)角為30度時(shí)的波形圖 11 觸發(fā)角為30度,接反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的波形分析:觸發(fā)角為0度時(shí),負(fù)載電流是

10、連續(xù)的;觸發(fā)角為30度時(shí),負(fù)載電流是斷續(xù)的。輸出的電流對(duì)輸出電壓有一定的相移。做比較在負(fù)載為純電阻負(fù)載與反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載串聯(lián)時(shí)的波形:圖 12觸發(fā)角為30度,接反電動(dòng)勢(shì)加純電阻負(fù)載時(shí)的波形上圖用于比較驗(yàn)證帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的仿真的正確性,可以從上圖看出,輸出電壓要大于100V,和理論的一樣,能夠反應(yīng)此電路模型正確。作業(yè)2任務(wù):(1) 完成三相半波共陰極整流電路的設(shè)計(jì),輸入電壓源為的幅值為310V,頻率為50Hz,負(fù)載為阻感負(fù)載,電感值為50mH,電阻值為10。(2) 仿真分析觸發(fā)角為300、600時(shí)電路的特性和工作過程。(3) 將負(fù)載電感的值修改為5mH和1H,對(duì)觸發(fā)角為600的工作過程作仿真分析,

11、并分析負(fù)載電感對(duì)電路特性的影響。 實(shí)驗(yàn)二1. 第(1)問電路設(shè)計(jì)即仿真電壓源為的幅值為310V,頻率為50Hz.負(fù)載為阻感負(fù)載,電感值為50mH,電阻值為10,三相電壓的相位差為120度,利用Saber模版對(duì)clock的觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)節(jié)。電路圖如下圖圖 13 三相半波共陰極整流電路2. 第(2)問電路特性即工作過程觸發(fā)角為0度時(shí)的仿真波形如下圖14。從上到下的波形分別為控制信號(hào)、輸入三相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形,這5種信息。圖 14 觸發(fā)角為0度時(shí)的波形觸發(fā)角為30度時(shí)的仿真波形如下圖15。從上到下的波形分別為控制信號(hào)、輸入三相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波

12、形、輸出電流波形,這5種信息。圖 15 觸發(fā)角為30度時(shí)的波形分析:觸發(fā)角為30度時(shí),輸出電壓波正處于臨界連續(xù)狀態(tài),負(fù)載上的電流波動(dòng)教觸發(fā)角為0度時(shí)的要大,可以從圖15與圖14中比較的出。其晶閘管的反向壓降為線電壓,最大反向電壓為310*1.732=537V。觸發(fā)角為60度時(shí)的仿真波形如下圖16。從上到下的波形分別為控制信號(hào)、輸入三相電壓、晶閘管VT1正向壓降、輸出電壓波形、輸出電流波形,這5種信息。圖 16 觸發(fā)角為60度時(shí)的波形分析:觸發(fā)角為60度時(shí),輸出電壓波形有負(fù)值,由于負(fù)載是感性負(fù)載,有儲(chǔ)能元件,能夠起到續(xù)流作用。負(fù)載電流的紋波比30度觸發(fā)角有所增大。導(dǎo)通順序分析:從下圖17可以看出

13、,晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1->VT2->VT三個(gè)晶閘管依次輪流導(dǎo)通120度,其余時(shí)間晶閘管承受方向的線電壓,在圖中的導(dǎo)通標(biāo)志是晶閘管承受的正向電壓為0的線段。圖 17 三個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序的波形反應(yīng)晶閘管承受的反向電壓分析:以晶閘管VT1為例,見下圖18,此圖為觸發(fā)角為30度時(shí)的晶閘管兩端的電壓。圖 18 晶閘管VT1兩端承受的電壓波形在VT1導(dǎo)通時(shí)近似承受0壓降,在120度導(dǎo)通后,突然會(huì)有一個(gè)反向電壓施加在VT1上,這個(gè)電壓是由于VT2的導(dǎo)通使VT1關(guān)斷,承受反向電壓(v-u)。此電壓作用120度后,由于VT3的導(dǎo)通,使VT2關(guān)斷,此時(shí)VT1承受的反向電壓為(w-u),以導(dǎo)致在圖

14、中有電壓突變的過程。3. 第(3)問修改負(fù)載電感后的影響5mH的工作,見下圖19。圖 19 修改電感為5mH時(shí)的工作波形1H的工作,見下圖20。圖 20 修改電感為1H時(shí)的工作波形分析:通過比較電感值為5mH,50mH,1H時(shí)的工作波形,可以看出(1)5mH是輸出電壓波形是斷續(xù)的,導(dǎo)致輸出電流也是斷續(xù)的。而50mH和1H時(shí)為連續(xù)。可以說明電感值越大,續(xù)流作用越好,導(dǎo)致輸出電流的直流成分越好。(2)可以工作輸出電流的波形可以看出,電感值越小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快,電感值越大,響應(yīng)越緩慢,例如1H時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作需要0.28秒,可從圖20最后一項(xiàng)的電流波形看出。(3)電感越大,輸出電流的紋波越小,特別是1H

15、時(shí)的波形反應(yīng)了幾乎成了直流。(4)電感的值會(huì)影響晶閘管的導(dǎo)通,電感值太小,導(dǎo)通角完全可能小于180度,例如5mH的波形。作業(yè)3任務(wù)要求:(1)完成三相橋式半控整流電路的設(shè)計(jì),負(fù)載為阻感負(fù)載,電阻為10,電感為6.5mH,輸入電源電壓為310V,頻率50Hz,選擇Y型連接,中性點(diǎn)接地。(2)分析觸發(fā)角為300、600時(shí)三相橋式半控整流電路的工作過程,如果增加續(xù)流支路,再次分析觸發(fā)角為300、600時(shí)三相半控整流電路的工作過程。三相半控橋式電路的直流側(cè)增加一個(gè)320V直流電源。這時(shí)電路能否工作在逆變模式,如能,請(qǐng)作出相應(yīng)的仿真波形,并說明電路工作在逆變狀態(tài);如不能,請(qǐng)說明原因。(3)將三相半控電路

16、改為全控橋式電路,交流側(cè)的輸入電源不變,直流側(cè)的電阻、電感和電源保持不變。這個(gè)電路是否能夠工作在逆變狀態(tài),如能,請(qǐng)作出相應(yīng)的仿真波形,并說明電路確實(shí)工作在逆變狀態(tài);如不能,請(qǐng)說明原因,并進(jìn)行相應(yīng)的修改后再完成逆變電路的仿真。實(shí)驗(yàn)三1. 第(1)問的電路設(shè)計(jì)和仿真 三相半控橋式電路,阻感負(fù)載,電阻為10,電感為6.5mH,輸入電源電壓為310V。圖 21 三相橋式半控整流電路2.三相半控橋式整流電路分析觸發(fā)角為30度時(shí),仿真的波形。從上至下分別為控制信號(hào),三相電壓,輸出電壓,輸出電流。圖 22 觸發(fā)角為30度的波形觸發(fā)角為60度時(shí),仿真的波形見下圖23. 從上至下分別為控制信號(hào),三相電壓,輸出電

17、壓,輸出電流。圖 23觸發(fā)角為60度的波形分析:三相半控橋式整流電路輸出的波形與全控的有相似之處,但是從30度觸發(fā)角的波形可以明顯看出中間有疊加波形。負(fù)載電壓連續(xù),負(fù)載電流連續(xù),且由于是阻感負(fù)載,所以電流滯后于電壓。觸發(fā)角為30度的導(dǎo)通過程分析如下圖24,從上到下分別為控制信號(hào),晶閘管VT1兩端的壓降,輸出p端對(duì)地的電壓波形,三相電壓,輸出n端對(duì)地的電壓波形,二極管D4兩端的電壓降。圖 24 觸發(fā)角為30度的導(dǎo)通過程觸發(fā)角為60度的導(dǎo)通過程分析如下圖25,從上到下分別為控制信號(hào),晶閘管VT1兩端的壓降,輸出p端對(duì)地的電壓波形,三相電壓,輸出n端對(duì)地的電壓波形,二極管D4兩端的電壓降。圖 25觸

18、發(fā)角為30度的導(dǎo)通過程分析:(1) 三相半控橋式整流電路的工作,可以等效于一個(gè)三相半波全控電路和一個(gè)不可控三相半波整流電路。(2) 從圖24,25可以看出,n端對(duì)地的電壓始終為三相電壓的下包絡(luò)線,即始終工作在自然換相點(diǎn)。而p端對(duì)地的電壓是隨著觸發(fā)角的改變而改變。(3) 30度觸發(fā)角工作時(shí),輸出的電流紋波較小,而60度觸發(fā)角時(shí)的紋波較大。(4) 圖22中輸出電壓波形相對(duì)于三相全控橋式不同,是由于半控二極管是自然換相,上面三個(gè)晶閘管輪流導(dǎo)通120度。所以造成中間有下降。(5) 晶閘管和二極管承受的反向壓降都為線電壓,其中晶閘管反向壓降的突變是由于觸發(fā)導(dǎo)通時(shí),承受的線電壓是令兩相的線電壓。增加續(xù)流之

19、路后的結(jié)果圖 26 增加續(xù)流二極管后的仿真電路圖觸發(fā)角為30度時(shí),仿真的波形見下圖27. 從上至下分別為控制信號(hào),三相電壓,輸出電壓,輸出電流。圖 27 觸發(fā)角為30度,有續(xù)流二極管的波形圖觸發(fā)角為60度時(shí),仿真的波形見下圖28. 從上至下分別為控制信號(hào),三相電壓,輸出電壓,輸出電流。圖 28觸發(fā)角為60度,有續(xù)流二極管的波形圖觸發(fā)角為90度觸發(fā)角為90度時(shí),仿真的波形見下圖29. 從上至下分別為控制信號(hào),三相電壓,輸出電壓,輸出電流。圖 29觸發(fā)角為90度,有續(xù)流二極管的波形圖分析:(1) 從以上圖27圖29的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在出發(fā)小于等于60度時(shí),其工作狀態(tài)和輸出波形與沒有續(xù)流二極管的情

20、況完全相同。(2) 在觸發(fā)角大于60度后,例如圖29的觸發(fā)角為90度,就可以看到輸出電壓有一段恒為零,這就是續(xù)流二極管起到了作用。(3) 有了續(xù)流二極管后,輸出電壓不會(huì)有負(fù)值了,只可能大于或等于零,在續(xù)流二極管起作用的過程中,整流電路兩端電壓為零。逆變模式的分析:三相橋式半控整流電路不能工作在逆變狀態(tài)。因?yàn)閷儆诎肟?,若能逆變直流?cè)電壓為負(fù),這將會(huì)使有橋臂處于直通狀態(tài)。這是違背了逆變的條件的,能實(shí)現(xiàn)逆變必須是全控,而且沒有續(xù)流二極管。3.第(3)問三相全橋的有源逆變圖 30 三相全控橋的仿真電路有源逆變狀態(tài):觸發(fā)角為120度的波形,見下圖31.從上至下依次為控制信號(hào),三相電壓,輸出電壓,輸出電流

21、波形。圖 31 三相全控橋電路工作在有源逆變狀態(tài)觸發(fā)角為120度的波形,見下圖32.從上至下分別為三相電壓,輸出電壓,輸出電流波形。圖 32 有源逆變狀態(tài)觸發(fā)角a=120度的波形觸發(fā)角為150度的波形,見下圖33.從上至下分別為三相電壓,輸出電壓,輸出電流波形。圖 33有源逆變狀態(tài)觸發(fā)角a=150度的波形觸發(fā)角為90度時(shí)的波形,見下圖34.從上至下分別為三相電壓,輸出電壓,輸出電流波形。圖 34有源逆變狀態(tài)觸發(fā)角a=90度臨界狀態(tài)的波形分析:(1) 從上面的仿真結(jié)果可以看出,三相全控橋工作在有源逆變狀態(tài)。由于輸出電壓為負(fù)值,輸出電流為正,所以交流測(cè)想直流側(cè)輸送的能量為負(fù),也就說明了能量是從直流

22、側(cè)輸送到交流測(cè)。(2) 從上面的結(jié)果可以看出,逆變出來的波形不是太理想,有脈沖的過電壓產(chǎn)生,這是負(fù)載的電感值太小而導(dǎo)致的,在后面會(huì)進(jìn)一步說明。(3) 觸發(fā)角從90度增大到180度,即逆變角逐漸減小的過程中,我們可以看到輸出電壓波形越來越小,幾乎接近直流電壓了,其能量傳輸也減小了。這個(gè)原因是由于電感的值太小而導(dǎo)致逆變的不成功。(4) 從圖33中可以看出,觸發(fā)角為150度時(shí),其逆變效果不好,這也是電感值太小導(dǎo)致的。為了探究逆變和電感的關(guān)系,下面特意將負(fù)載電感增大。將電感值改為100mH時(shí)的波形,120度觸發(fā)角,如下圖。圖 35 將電感增大到100mH時(shí),120度觸發(fā)角的逆變波形將電感值改為1H時(shí)的

23、波形,150度觸發(fā)角,如下圖36。圖 36 將電感值增大到1H時(shí),150度觸發(fā)角所輸出的波形將電感的值增大后,可以看到完好的逆變電壓波形,進(jìn)一步說明電路確實(shí)工作在逆變狀態(tài)。這也說明了,逆變的性能與負(fù)載的電感息息相關(guān),較大的電感會(huì)減小電壓的脈動(dòng),使輸出電壓波形與交流測(cè)匹配。但是,電感太大,會(huì)使電路的動(dòng)態(tài)特性變慢,從圖36,35,34中可以對(duì)比得出。作業(yè)4:(1) 完成三相方波型電壓逆變器的設(shè)計(jì)。其直流側(cè)輸入電壓為300V,直流側(cè)的電容為1u,IGBT采用Motorola公司的mgm20n50,與IGBT并聯(lián)的二極管也采用Motorola公司的mur1560。交流側(cè)負(fù)載為阻感負(fù)載,電阻為15,電感

24、為10mH。(2) 如果不需要調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)的輸出電壓,交流側(cè)的輸出頻率為50Hz,分析三相方波型電壓逆變器的工作過程。如果要求交流側(cè)輸出電壓的頻率為60Hz,應(yīng)該如何修改電路元件的屬性值。并得出修改后的仿真結(jié)果。(3) 在直流電壓不變的情況下是否可以控制(改變)逆變器的輸出電壓(方波型),如能,請(qǐng)作出相應(yīng)的仿真結(jié)果,并分析其工作過程,如不能,請(qǐng)說明原因。實(shí)驗(yàn)四1. 第(1)問三相方波型電壓逆變器設(shè)計(jì)直流側(cè)輸入電壓為300V,直流側(cè)的電容為1u,IGBT采用Motorola公司的mgm20n50,與IGBT并聯(lián)的二極管也采用Motorola公司的mur1560。交流側(cè)負(fù)載為阻感負(fù)載,電阻為15,電感為10mH。如下圖37圖 37 三相方波型電壓逆變器仿真電路2.第(2)問逆變器工作過程6路時(shí)鐘信號(hào),如下圖38。圖 38 逆變器的六路時(shí)鐘信號(hào)從6路控制信號(hào)可以看出,驅(qū)動(dòng)電壓為20V,每個(gè)橋臂上的IGBT的導(dǎo)通角為180度,同一半橋上下兩個(gè)臂交替導(dǎo)電,三個(gè)半橋的的角度依次相差120度。這樣在任何一瞬間,將有三個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通。可能是上面

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