電力電子學(xué)復(fù)習(xí)及思考題

1、第一章1-1.電力技術(shù)、電子技術(shù)和電力電子技術(shù)三者所涉及的技術(shù)內(nèi)容和研究對(duì)象是什么? 三者的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用主要依賴什么電氣設(shè)備和器件？答:電力技術(shù)涉及的技術(shù)內(nèi)容:發(fā)電、輸電、配電及電力應(yīng)用。其研究對(duì)象是:發(fā) 電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、輸配電線路等電力設(shè)備，以及利用電力設(shè)備來(lái)處理電力電路 中電能的產(chǎn)生、傳輸、分配和應(yīng)用問(wèn)題。其發(fā)展依賴于發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、輸 配電系統(tǒng)。其理論基礎(chǔ)是電磁學(xué)（電路、磁路、電場(chǎng)、磁場(chǎng)的基本原理），利用電磁學(xué) 基本原理處理發(fā)電、輸配電及電力應(yīng)用的技術(shù)統(tǒng)稱電力技術(shù)。電子技術(shù)，乂稱為信息電子技術(shù)或信息電子學(xué)，研究?jī)?nèi)容是電子器件以及利用電 子器件來(lái)處理電子電路中電信號(hào)的產(chǎn)生、

2、變換、處理、存儲(chǔ)、發(fā)送和接收問(wèn)題。其研 究對(duì)象:載有信息的弱電信號(hào)的變換和處理。其發(fā)展依賴于各種電子器件（二極管、 三極管、MOS管、集成電路、微處理器電感、電容等）。電力電子技術(shù)是一門綜合了電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交義學(xué)科。它 涉及電力電子變換和控制技術(shù)技術(shù)，包括電壓（電流）的大小、頻率、相位和波形的 變換和控制。研究對(duì)象:半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件及其組成的電力開(kāi)關(guān)電路,包括利用半導(dǎo) 體集成電路和微處理器芯片構(gòu)成信號(hào)處理和控制系統(tǒng)。電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用主 要依賴于半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件。1-2.為什么三相交流發(fā)電機(jī)或公用電網(wǎng)產(chǎn)生的恒頻、恒壓交流電，經(jīng)電壓、頻率 變換后再供負(fù)載使用，有可能

3、獲得更大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益？答：用電設(shè)備的類型、功能千差萬(wàn)別，對(duì)電能的電壓、頻率、波形要求各不相同。 為了滿足一定的生產(chǎn)工藝和流程的要求，確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)主產(chǎn)率、降低能源 消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益，若能將電網(wǎng)產(chǎn)生的恒頻、恒壓交流電變換成為用電負(fù)載的最佳 工況所需要的電壓、頻率或波形，有可能獲得更大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。例如：若風(fēng)機(jī)、水泵全部采用變頻調(diào)速技術(shù)，每年全國(guó)可以節(jié)省兒千萬(wàn)噸以上的 煤，或者可以少興建上千萬(wàn)千瓦的發(fā)電站。若采用高頻電力變換器對(duì)熒光燈供電，不 僅電-光轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高、光質(zhì)顯著改善、燈管壽命延長(zhǎng)3、5倍、可節(jié)電50%, 而且其重量?jī)H為工頻電感式鎮(zhèn)流器的10%。高頻變壓器重量、體積比

4、工頻變壓器小得 多，可以大大減小鋼、銅的消耗量。特別在調(diào)速領(lǐng)域，與古老的變流機(jī)組相比，在鋼 銅材消耗量、重量、體積、維護(hù)、效率、噪音、控制精度和響應(yīng)速度等方面優(yōu)勢(shì)明顯。1-3.開(kāi)關(guān)型電力電子變換有哪四種基本類型？ 答:有如下四種電力變換電路或電力變換器, 如圖所示：（1）交流（A.C）直流（D. C） 整流電路或整流器；（2）直流（D.C）交流（A. C）逆變電路或逆變器；（3）直流（D.C）直流 （D. C）電壓變換電路，乂叫直流斬波電路、直 流斬波器；（4）交流（A.C）交流（A. C）電DC恒定L麗電圧或可電蟲(chóng)DCDC3“說(shuō)歿按器貢iftftftACtil頻恒壓交池電戒 變煩變壓交淹電r

5、ai.2電力變換類型2逆支2!4交說(shuō)斬波器H接支頻冷IXAC交流負(fù)tt壓和/或頻率變換電路：僅改變電壓的稱為交流電壓變換器或交流斬波器，頻率、電圧 均改變的稱為直接變頻器。1-4.圖1.6（a ）所示的開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)DC-AC逆變 變換的基本原理是什么？從開(kāi)關(guān)電路的輸出端CD能 否直接獲得理想的正弦基波電壓？直流電源輸出到 開(kāi)關(guān)電路輸入端AB的直流電流是否為無(wú)脈動(dòng)連續(xù)的 直流電流？答：（1） DC/AC逆變電路的可以釆用三種控制 方案：A、180方波;B、小于18 0 單脈沖方波;C、 PWM控制?；驹矸謩e如下：A、180方波。當(dāng)要求輸出交流電的頻率為/時(shí)，在半周期7/2 = 1/2/內(nèi)使S

6、i、S*導(dǎo)! （c）世度OVIWT方液（d） PWM 岀電壓浪形圖1.6墓本逆麥電路及浪形通，S2、Ss阻斷，則逆變電路輸出電壓 憐=也=+5；令隨后的7V2時(shí)間內(nèi)$、S3 導(dǎo)通，S、S（阻斷則逆變電路輸出電壓為 負(fù)的電源電壓（-）。因此怙是頻率為 /、幅值為仏的交流方波電壓，如圖1. 6（b）所示。對(duì)v。進(jìn)行傅立葉分解,得到其基波電壓有效值為=4%/后=2邁勺/心大小取決于直流電源的 電壓;基波角頻率0=2/ = 2龍/7取決于開(kāi)關(guān)的工作頻率。其中含有大量 的高次諧波經(jīng)厶C濾去后，負(fù)載可獲得正弦交流基波電壓片。B、小于1 8 0單脈沖方波。類似1 8 0方波控制，但是僅在半周的一部分時(shí)間口內(nèi)

7、讓相應(yīng)的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，則朕也)將是導(dǎo)電時(shí)間小于T/2,導(dǎo)電寬度 角&小于兀的矩形波，如圖1. 6(c)所示進(jìn)行傅立葉分解，得到基波電壓 有 效值為 Vj =-Lsin- = V-sin-或兀2 托2V, =LvDsinJT) o顯然，控制導(dǎo)通時(shí)間可以控制輸出電壓基波大小, 71而輸出電壓的頻率/仍取決于開(kāi)關(guān)工作頻率。C、若采用高頻開(kāi)關(guān)PWM控制策略，則交流輸出電壓為圖1.6(d)所示的脈沖寬 度調(diào)制(PWM)的交流電壓，輸出電壓波形更接近正弦波且其中諧波電壓的頻率 較高，只需要很小的ZT濾波就可得到正弦化的交流電壓。其性能遠(yuǎn)優(yōu)于單脈波的方 波逆變方案。(2)不能直接獲得理想的正弦基波電壓。(3)是

8、有脈動(dòng)非連續(xù)的直流電流。1 -5.開(kāi)關(guān)型電力電子變換器有那些基本特性？答：(1)變換器的核心是一組開(kāi)關(guān)電路，開(kāi)關(guān)電路輸出端電壓和開(kāi)關(guān)電路輸入端電流 都不可能是理想的直流或無(wú)畸變的正弦基波交流，含有高次諧波。(2) 要改善變換電路的輸出電壓和輸入電流的波形，可以在其輸出、輸入端附加LC 濾波電路；但是最有效方法是采用高頻PWM控制技術(shù)(3) 電力電子變換器工作時(shí)，開(kāi)關(guān)器件不斷進(jìn)行周期性通、斷狀態(tài)的依序轉(zhuǎn)換，為使輸 出電壓接近理想的直流或正弦交流，一般應(yīng)對(duì)稱地安排一個(gè)周期中不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及 持續(xù)時(shí)間。因此對(duì)其工作特性的常用分析方法或工具是:開(kāi)關(guān)周期平均值(狀態(tài)空間 平均法)和傅立葉級(jí)數(shù)。1 -6.

9、開(kāi)關(guān)型電力電子變換器有哪兩類應(yīng)用領(lǐng)域？答:按功能可分為兩大應(yīng)用領(lǐng)域：(1)開(kāi)關(guān)型電力電子變換電源或簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電 源。由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)電路將輸入電源變換為另一種電源給負(fù)載供電。這一類應(yīng)用現(xiàn)在已 經(jīng)十分廣泛。開(kāi)關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器。它乂分為兩種類型：電壓、電流(有功 功率、無(wú)功功率)補(bǔ)償控制器和阻抗補(bǔ)償控制器。它們或向電網(wǎng)輸出所要求的補(bǔ)償電壓或電流，或改變并聯(lián)接入、串聯(lián)接入交流電網(wǎng)的等效阻抗，從而改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行 特性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。這類應(yīng)用將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的革命并推動(dòng)電力電子技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展 步。第二章說(shuō)明半導(dǎo)體PN結(jié)單向?qū)щ姷幕驹瓏鷮?shí)際100解答:P N結(jié)半導(dǎo)體二極管在正向電壓接法下（簡(jiǎn)稱正偏），外

10、加電壓所產(chǎn)生的外電場(chǎng)&與 內(nèi)電場(chǎng)&方向相反，因此PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)被削弱。內(nèi)電場(chǎng)巴所引起的多數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)被 削弱.多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻力減小了,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)超過(guò)了反方向的漂移運(yùn)動(dòng)。大量的多數(shù)載流子 能不斷地?cái)U(kuò)散越過(guò)交界而.P區(qū)帶正電的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)帶負(fù)電的電子向P區(qū)擴(kuò)散。這些載 流子在正向電壓作用下形成二極管正向電流。二極管導(dǎo)電時(shí)，苴PN結(jié)等效正向電阻很小，管子兩 端正向電壓降僅約IV左右（大電流硅半導(dǎo)體電力二極管超過(guò)IV,小電流硅二極管僅0.7V,錯(cuò) 二極管約0.3V）。這時(shí)的二極管在電路中相當(dāng)于一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)（通態(tài)）的開(kāi)關(guān)。PN結(jié)半 導(dǎo)體二極管在反向電壓接法下（簡(jiǎn)稱反偏）外加電壓

11、所產(chǎn)生的外電場(chǎng)Ee與原內(nèi)電場(chǎng)E,方向相同。 因此外電場(chǎng)使原內(nèi)電場(chǎng)更增強(qiáng)。多數(shù)載流子（P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子）的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)更難于進(jìn)行。 這時(shí)只有受光、熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子（P區(qū)的少數(shù)載流子電子和N區(qū)的少數(shù)載流子空穴）在 電場(chǎng)力的作用下產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。因此反偏時(shí)二極笛電 流極小。在一泄的溫度下，二極管反向電流在一泄 的反向電壓范羽內(nèi)不隨反向電壓的升高而增大，為反 向飽和電流人。因此半導(dǎo)體PN結(jié)呈現(xiàn)岀單向?qū)щ娦浴?英靜態(tài)伏-安特性曲線如左圖曲線所示。但實(shí)際二極 管靜態(tài)伏-安特性為左圖的曲線。二極管正向?qū)щ姇r(shí) 必須外加電圧超過(guò)一左的門坎電壓V；（又稱死區(qū)電 壓），當(dāng)外加電壓小于死區(qū)電壓時(shí)，外電場(chǎng)還不足

12、以削 弱PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)，因此正向電流幾乎為零。硅二極管 的門坎電壓約為0.5V,錯(cuò)二極管約為0.2V,當(dāng)外加 電壓大于卩水后內(nèi)電場(chǎng)被大大削弱，電流才會(huì)迅速上 升。二極管外加反向電壓時(shí)僅在當(dāng)外加反向電壓匕不超過(guò)某一臨界擊穿電壓值脳時(shí)才會(huì)使反 向電流0保持為反向飽和電流人。實(shí)際二極管的反向飽和電流人是很小的。但是當(dāng)外加反向電 壓匕超過(guò)匕般后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加。2.2 說(shuō)明二極管的反向恢復(fù)特性。解答:由于PN結(jié)間存在結(jié)電容C,二極管從導(dǎo)通狀態(tài)（C很大存儲(chǔ)電荷多）轉(zhuǎn)到截止阻斷 狀態(tài)時(shí),PN結(jié)電容存儲(chǔ)的電荷Q并不能立即消失，二極管電壓仍為VD=12V,二極管仍然具有 導(dǎo)電性，在反向電壓作用下

13、，反向電流從零增加到最大值，反向電流使存儲(chǔ)電荷逐漸消失，二極管兩 端電壓匕降為零。這時(shí)二極管才恢復(fù)反向阻斷電壓的能力而處于截止?fàn)顟B(tài)，然后在反向電壓作 用下，僅流過(guò)很小的反向飽和電流人。因此，二極管正向?qū)щ婋娏鳛榱愫笏⒉荒芰⒓淳哂凶钄?反向電壓的能力，必須再經(jīng)歷一段反向恢復(fù)時(shí)間/后才能恢復(fù)其阻斷反向電壓的能力。2.3 說(shuō)明半導(dǎo)體電力三極管BJT處于通態(tài)、斷態(tài)的條件。解答:電力三極管BJT處于通態(tài)的條件是:注入三極管基極的電流厶大于基極飽和電流 /肪（已知三極管的電流放大系數(shù)0,有/為=/0）。這時(shí)三極管G = 0、導(dǎo)電性很強(qiáng)而處于 最小等效電阻、飽和導(dǎo)電狀態(tài)，可以看作是一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)。BJT處

14、于斷態(tài)的條件是：基極電流人 為零或是施加負(fù)基極電流，即 BVces BVcer BVceo o2.5說(shuō)明晶閘管的基本工作原理。在哪些情況下.晶閘管可以從斷態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥☉B(tài)已處于通態(tài)的 晶閘管撤除其驅(qū)動(dòng)電流為什么不能關(guān)斷，怎樣才能關(guān)斷晶閘管？解答:基本工作原理：見(jiàn)課本p 3 6-3 7；應(yīng)回答出承受正向壓、門極加驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的管子內(nèi)部 的正反饋過(guò)程，使少+冬不斷增大,最后使少+勺=1，厶很大，晶閘管變成通態(tài)：撤去門極電流后由于仍可使人=_（0+禺）很大保持通態(tài)有多種辦法可以使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)常用的辦法是門極觸發(fā)導(dǎo)通和光注入導(dǎo)通。另外正向過(guò)電壓、髙溫、髙的dv/dt都可能使晶 閘管導(dǎo)通，但這是非正

15、常導(dǎo)通情況.要使晶閘管轉(zhuǎn)入斷態(tài)，應(yīng)設(shè)法使英陽(yáng)極電流減小到小于維持電流乙，通常采用使英陽(yáng)極A與陰 極K之間的電壓匕認(rèn)為零或反向。2.6 直流電源電壓匕二220V 經(jīng)晶閘管T對(duì)負(fù)載供電 負(fù)載電阻R=20Q，電感L=1H r 晶閘管擎住電流/產(chǎn)5 5mA ,纟苗寺電流二22mA.用f 方波脈）中電流觸發(fā)晶閘管。試計(jì)算：（1）如果負(fù)載電阻R =20Q ,觸發(fā)脈沖的題為3 00戶，可否使晶閘管可靠地開(kāi)通?（2）如果晶閘管已處于通態(tài).在電路中增力i 1KQ的電阻能否使晶閘管從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)?（3）為什么晶閘管的擎住電流兒比維持電流。大？解答：（1）設(shè)晶閘管開(kāi)通：厶豊? +用（r） = y,由此可解出:當(dāng) =

16、 300嗆時(shí), i（t） = 65.8niA/L =55/714 ,所以可以使晶閘管可靠導(dǎo)通。V（2）加入1KQ電阻后，W/ = = 215.7/kAZw =22mA能使晶閘管由 R + R通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。（3）為什么晶閘管的擎住電流比維持電流大：擎住電流和維持電流都是在撤去門極驅(qū)動(dòng)電流的條件下左義的,因此陽(yáng)極電流/ = L 3但維持電流是在通態(tài)時(shí)考慮的，此時(shí)管子已41-（冬+勺）工作在較大電流狀態(tài)下,管內(nèi)結(jié)溫較髙，此時(shí)的PN結(jié)漏電流Io隨結(jié)溫增大，導(dǎo)通能力強(qiáng)，因此必須要降低才能關(guān)斷晶閘管：而擎住電流是在斷態(tài)向通態(tài)變化時(shí)沱義的,開(kāi)始有驅(qū)動(dòng)信號(hào)但未完全導(dǎo) 通時(shí)，晶閘管工作時(shí)間短，結(jié)溫低,PN結(jié)漏電

17、流Io不大，導(dǎo)通能力弱，需要較大的陽(yáng)極電流才能使管 子開(kāi)通。2 . 7 淞電流為10A的晶|、籍能否承融15A的直流負(fù)勰流肝歸？解答：額疋電流為1 0A的晶閘管能夠承受長(zhǎng)期通過(guò)1 5A的直流負(fù)載電流而不過(guò)熱。因?yàn)榫чl管的額宦電流人是左義的:在環(huán)境溫度為40C和規(guī)上的散熱冷卻條件下，晶閘管在電阻性負(fù) 載的單相、工頻正弦半波導(dǎo)電、結(jié)溫穩(wěn)左在額定值125C時(shí),所對(duì)應(yīng)的通態(tài)平均電流值。這就意味 著晶閘管可以通過(guò)任意波形、有效值為1.57人的電流，其發(fā)熱溫升正好是允許值,而恒泄直流電 的平均值與有效值相等，故額立電流為10A的晶閘管通過(guò)15.7A的直流負(fù)載電流，其發(fā)熱溫升 正好是允許值。2 . 8說(shuō)明G

18、TO的關(guān)斷原理，解答:在GTO的設(shè)計(jì)制造時(shí)，等效晶體管T2的集電極電流分配系數(shù)a 2較大。當(dāng)GTO處于 通態(tài)時(shí)，突加一個(gè)負(fù)觸發(fā)電流-Ig,使a2減小，1-a 2變尢厶急劇減小，就是陽(yáng)極電流厶急劇減小, 又導(dǎo)致電流分配系數(shù)a 2和al減小，使乙急劇減小，又使/(、人減小。在這種循環(huán)不已的正反饋 作用下，最終導(dǎo)致GTO陽(yáng)極電流減小到維持電流以T.GTO從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。2.9 說(shuō)明P - MOS F ET柵極電壓怙控制漏極電流山的基本原環(huán)解答：當(dāng)右圖中P-MOSFET漏-源極間電壓匕$為零、宀樂(lè)T(b)N溝涿罐歿世PMOSFET管電幣柵-源極之間電壓比s也為零時(shí)，N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體之 間要形成P

19、N結(jié)空間電荷區(qū)(耗盡層)阻擋層，此時(shí)G- S之間和 D-S之間都是絕緣的。當(dāng)漏極D與源極S之間有外加電壓 bs時(shí)，如果柵極、源極外加電壓比s=，由于漏極D(N 1 ) 與源極S (N 2 )之間是兩個(gè)背靠背的卩“結(jié)(PN1、PN2), 無(wú)論1/仍是正向電壓還是負(fù)電壓，都有一個(gè)PN結(jié)反偏，故漏- 源極之間也不可能導(dǎo)電。當(dāng)柵、源極之間外加正向電壓;s 0時(shí)，Vgs在G-P之間形成電場(chǎng)，在電場(chǎng)力的作用下P區(qū)的電子移近G極，或者說(shuō)柵極G的正電位吸引P區(qū)的電子至鄰近柵極的一側(cè)，當(dāng)5s增大到超過(guò)某一值 VGSll,值時(shí)，M和2中間地區(qū)靠近G極處被G極正電位所吸引的電子數(shù)超過(guò)該處的空穴數(shù)以后， 柵極下而原空

20、穴多的P型半導(dǎo)體表而就變成電子數(shù)目多的N型半導(dǎo)體表層，柵極下由柵極正電位 所形成的這個(gè)N型半導(dǎo)體表層感生了大量的電子載流子，形成一個(gè)電子濃度很髙的溝道(稱為N 溝道)，這個(gè)溝逍將Ni和N2兩個(gè)N區(qū)聯(lián)在一起，又使N1P這個(gè)被反偏的PN結(jié)J 1消失,成為漏 極D和源極S之間的導(dǎo)電溝道，一旦漏-源之間也有正向電壓就會(huì)形成漏極電流6 o在匕=0 時(shí)，I金不能產(chǎn)生電流，僅在心增大到Vgs = Vgsm以后才使G-P之間的外電場(chǎng)增強(qiáng)，形成自由電子導(dǎo)電溝道，才能產(chǎn)生漏極電流這種改變柵極G和源極S之間外加電壓即可控制漏極電流6的作用稱為電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。2.10作為開(kāi)關(guān)使用時(shí)P - MOSFET器件主要的優(yōu)缺點(diǎn)是

21、什么？解答:作為開(kāi)關(guān)使用時(shí),P-MOSFET器件的優(yōu)點(diǎn)是:輸入阻抗髙，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,工作頻率高；其缺點(diǎn)是:通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大），電壓、電流泄額低。21列表t做BJT. SCR、GTO、P-MOS FETX IGBTX MCT城 SITt可控耘圜牛鯛發(fā)閾區(qū)動(dòng)）電渝瞬壓）翊的要求雄要優(yōu)缺氟解答：2-13BJT SCR GTO P-MOSFET IGBT MCT SIT 的對(duì)比器件對(duì)觸發(fā)信號(hào)波形的要求開(kāi)關(guān)頻率單極或 雙極主要優(yōu)點(diǎn)主要缺點(diǎn)BJT（包流型全 控器件）正持續(xù)基極電流控制開(kāi)通； 基極電流為0則關(guān)斷中雙極通態(tài)壓降小，通 態(tài)損耗小驅(qū)動(dòng)功率大；頻 率低SCR （電流型半 控器件）正

22、脈沖門極電流控制開(kāi)通： 觸發(fā)信號(hào)不能控制關(guān)斷低雙極通態(tài)圧降小，通 態(tài)損耗小驅(qū)動(dòng)功率大，頻 率低GTO（包流型全 控器件）正脈沖門極電流控制開(kāi)通； 負(fù)脈沖門極電流（較大）控制 關(guān)斷低雙極通態(tài)壓降小，通 態(tài)損耗小驅(qū)動(dòng)功率大，頻 率低P-MOSFET （電壓型全 控器件）正持續(xù)柵極電壓控制開(kāi)通： 負(fù)持續(xù)柵極電壓控制并保持 關(guān)斷高單極輸入阻抗髙，驅(qū) 動(dòng)功率小,驅(qū)動(dòng)電 路簡(jiǎn)單，工作頻 率髙通態(tài)壓降大（通 態(tài)損耗大） 電壓、電流肚額 低IGBT（電壓型全 控器件）正持續(xù)柵極電壓控制開(kāi)通： 負(fù)持續(xù)柵極電壓控制并保持 關(guān)斷較高雙極輸入阻抗高，驅(qū) 動(dòng)功率小,驅(qū)動(dòng)電 路簡(jiǎn)單，工作頻率 高通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大）M

23、CT正脈沖電壓控制開(kāi)通：較高（低雙極輸入阻抗高，驅(qū)通態(tài)壓降大（通（電壓型全 控器件）負(fù)脈沖電壓控制關(guān)斷于IGBT)動(dòng)功率小,驅(qū)動(dòng)電 路簡(jiǎn)單，工作頻率高態(tài)損耗大）STI（電壓型全 控器件）持續(xù)電壓控制斷、通高單極輸入阻抗高，驅(qū) 動(dòng)功率小,驅(qū)動(dòng)電 路簡(jiǎn)單，工作頻 率髙通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大）2.122 世紀(jì)電力電子開(kāi)關(guān)器件最可能的重大技術(shù)發(fā)展是什么?解答：21世紀(jì)電力電子開(kāi)關(guān)器件最可能的重大技術(shù)發(fā)展是將半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件與其驅(qū)動(dòng)、 緩沖、監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)等所有硬件集成一體，構(gòu)成一個(gè)功率集成電路PICo PIC器件把電力電子 變換和控制系統(tǒng)中盡可能多的硬件以芯片的形式封裝在一個(gè)模塊內(nèi)，使之不再有額外

24、的引線聯(lián)接， 不僅極大地方便了使用，而且能大大降低系統(tǒng)成本，減輕重量，縮小體積，把寄生電感減小到幾 乎為零，大大提髙電力電子變換和控制的可靠性,PIC實(shí)現(xiàn)了電能與信息的集成，如果能妥善解決P IC內(nèi)部的散熱、隔離等技術(shù)難題，今后PIC將使電力電子技術(shù)發(fā)生革命性的變革。第三章3.1.直流直流電壓變換中開(kāi)關(guān)器件的占空比D是什么?推證圖3.1（ C ）所示脈盍?xí)r間為 脈竟角度為周期為兀、幅值為匕的方波脈;中電壓皿）的直流平均值及各次諧波的幅值。解答:占空比是開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間7-與開(kāi)關(guān)周期人的比值匚圖3. 1 （c）中方波脈沖電壓可以表示為如下傅立葉表達(dá)式:x 2V V（69/） = DV +S sin

25、（/77T）-COS（726yr）m tut英中常數(shù)項(xiàng)為直流平均值，即y = DV :各余弦項(xiàng)為各次諧波，其幅值為:2V02V 亠a =sin(M -) = sin(/7L)nil2H7T32 脈;中競(jìng)度調(diào)制PWM和脈;中頻率調(diào)制PF2I的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？解答:脈沖寬度調(diào)制方式PWM保持八不變（開(kāi)關(guān)頻率不變），改變幾調(diào)控輸岀電壓V 0脈沖頻率凋制方式PFM。保持7；”不變，改變開(kāi)關(guān)頻率或周期調(diào)控輸出電壓匕。實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用PWH方式。因?yàn)椴捎眯诡lPWM開(kāi)關(guān)時(shí)，輸岀電壓中諧波的頻率固左，濾 波器設(shè)計(jì)容易，開(kāi)關(guān)過(guò)程所產(chǎn)生電磁擾容易控制。此外由控制系統(tǒng)獲得可變脈寬信號(hào)比獲得可 變頻率信號(hào)容易實(shí)現(xiàn)。但

26、是在諧振軟開(kāi)關(guān)變換器中為了保證諧振過(guò)程的完成，釆用P FM控制較容 易實(shí)現(xiàn)。3.3. B uc k變換器中電感電流的脈動(dòng)和輸出電壓的脈動(dòng)與明鳴因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以解釋。解答:電感電流的脈動(dòng)量與電感量開(kāi)關(guān)頻率輸入電壓匕、輸岀電壓匕有關(guān)，輸岀電 壓的脈動(dòng)疑與電感量厶、電容呈:C、開(kāi)關(guān)頻率/、輸話電壓匕有關(guān):電感量厶、電容疑C越大其 濾波效果越好，而開(kāi)關(guān)頻率/越髙，濾波電感的交流阻抗3厶就很大，它對(duì)直流電壓的阻抗基本 為0,同時(shí)濾波電容的交流阻抗%厶很小。3.4. Buck變換器斷流工況下的變壓比M與明聲因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以解釋。解答:Buck變換器在電流斷續(xù)工況下其變壓比M不僅與占空比D有

27、關(guān)，還與負(fù)載電流/。的 大小.電感開(kāi)關(guān)頻率人以及電壓吩等有關(guān)。3.5. 圖32 (a)x 35(a)電路穩(wěn)態(tài)時(shí)在一周期中,電感電流的增呈電 感L的磁通增臺(tái)是否為零,為什么?電容C的電流平均值為零電容C端電壓的增呈是否為零為什 么？解答:電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感電流的增=,同時(shí)電感L的磁通增雖:= 因?yàn)槿绻粋€(gè)周期內(nèi)電感的磁通增量那么電感上的磁通將無(wú)法復(fù)位，也即電 感上的能量不斷累積，最終將達(dá)到飽和，甚至燒毀電感，所以穩(wěn)態(tài)工作時(shí)應(yīng)使一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感 乙的磁通增= 電容C的電流平均值為0,那么電容C端電壓的增量也為0,因?yàn)榉€(wěn)態(tài)時(shí) 一個(gè)周期內(nèi)電容上的充電電荷等于放電電荷，即電容上電荷增

28、量乂 = 0,而電容端電壓增量=罟,故電容C端電壓的增量也為0。3.6. Buck變換器中電流臨界矽是什么意思?當(dāng)負(fù)載電壓匕八電流人 F時(shí)在什么條 件下可以避免電感電流斷流？解答:Buc k變換器中電感電流臨界連續(xù)是指處于電感電流連續(xù)和電感電流斷流兩種工況的 臨界點(diǎn)的工作狀態(tài)。這時(shí)在開(kāi)關(guān)管阻斷期結(jié)束時(shí)，電感電流剛好降為零。當(dāng)負(fù)載電壓“”、電流人一 定時(shí)增大電感量匸和提髙開(kāi)關(guān)頻率f都可以避免電感電流斷流。3.7.路實(shí)st奈升囪郵十么?解答:為了獲得髙于電源電壓叫的直流輸出電壓 一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的辦法是在變換器開(kāi)關(guān)管前端插入一個(gè)電 感乙如右圖所示。在開(kāi)關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，利用圖中電感線圈L在其電流減小時(shí)所

29、產(chǎn)生的反電勢(shì)勺.（在電感電流減小時(shí),為正值），將此電感反電 勢(shì)S與電源電壓人串聯(lián)相加送至負(fù)載,則負(fù)載就可獲得髙于電源電壓叫的宜流電壓匕，從而實(shí)現(xiàn) 直流升壓變換。3.8.Boost謝奐器為什么不宜在占空比D接近1的晴況下工作？解答:因?yàn)樵贐oost變換器中，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源與負(fù)載脫離，其能量全部?jī)?chǔ)存在電感中, 當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，能咼才從電感中釋放到負(fù)載。如果占空比D接近于1,那么開(kāi)關(guān)接近于全導(dǎo)通狀 態(tài),幾乎沒(méi)有關(guān)斷時(shí)間，那么電感在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的能量沒(méi)有時(shí)間釋放，將適成電感飽和，直 至燒毀。因此Boost變換器不宜在占空比D接近1的情況下工作。同時(shí).從Boost變換器在電感 電流連續(xù)工況時(shí)的

30、變壓比表達(dá)式M=VO/VS = 1/（1-D）也可以看出，當(dāng)占空比D接近1時(shí),變壓比M 接近于無(wú)窮大，這顯然與實(shí)際不符，將造成電路無(wú)法正常工作。39升壓降壓變換器（Cuk變換器）的工但及主要優(yōu)點(diǎn)超十么?解答：Cuk變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中,7叨期間，令開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，這時(shí)電源經(jīng)電感L 1和T短 路丄1電流線性增加，電源將電能變?yōu)殡姼蠰1儲(chǔ)能,與此同時(shí)電容C 1經(jīng)T對(duì)C2及負(fù)載放電，并使 電感L2電流增大而儲(chǔ)能。在隨后的7期間，開(kāi)關(guān)管T阻斷.電感L1電流經(jīng)電容C1及二極管D續(xù)流,此時(shí)，電感L2也經(jīng)D續(xù)流丄2的磁能轉(zhuǎn)化為電能對(duì)負(fù)載供電。Cuk變換器的優(yōu)點(diǎn)是僅用 一個(gè)開(kāi)關(guān)管使電路同時(shí)具有升、降壓功能;而且

31、該變換器輸入倫岀電流脈動(dòng)小。3.10.女M矚解Cuk變換器中間電容電壓唁等于電源電壓叫與負(fù)載電壓耳之和,即 唁=%+5?解答：電感電壓 =炒山=37心穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期幾中電感厶、乙電流增量為 零，磁鏈增疑為零，電感兩端電壓的直流平均值為零。因此Cuk電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可吉接得到直流 平均電壓咕=匕+陀。3.11.直流直流四象限變換器的四象限J旨的是什么?直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的 超十么?這咖四象限有什細(xì)應(yīng)關(guān)系?解答:直流一直流四象限變換器的四象限指的是變換器的輸出電壓V、輸出電流/均可正 ABAff可負(fù)的四種組合。直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的四象限指的是電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩可正可負(fù)的四種組合。對(duì)于

32、電機(jī)的轉(zhuǎn)速有：Z _ 匕” RAB 亠 ABKgK沖K沖對(duì)于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te：Te=KT （/ IAB在勵(lì)磁電流不變、磁通0不變時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩大小和方向由Vab、：Lb決總3.12.通過(guò)改變V繪的大小及【俎的大小和方向.調(diào)控電機(jī)在正方向下旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩Te 的大小和方向，既可使直流電機(jī)在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下變速運(yùn)行亦可在發(fā)電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)下變速運(yùn)行。因 此直流一直流四象限變換器的四象限和直流電機(jī)運(yùn)行中的四象限之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖 3. 12（d）所示（應(yīng)該畫出電路幾多重、多相直流一直流的奐器中多重（重?cái)?shù)加1 ）,多相（相數(shù)心1 ）指的是什么意義？多重、多相的鱷的優(yōu)陶十么？解答:假

33、定變換器中每個(gè)開(kāi)關(guān)管通斷周期都是幾，多重（重?cái)?shù)，H1）是指：在一個(gè)7；周期中變 換器負(fù)載電流匚脈動(dòng)加次（，“1）,即匚脈動(dòng)頻率為”広。多相（相數(shù)“1）是指：在一個(gè)人周 期中變換器電源側(cè)電流,）脈動(dòng)n次，即/）脈動(dòng)頻率為Ms。多重、多相變換器的優(yōu)點(diǎn)是：其 輸岀電壓、輸入電流脈動(dòng)頻率比單個(gè)變換電路成倍地提髙，因而可以顯著改善變換器輸入、輸岀 特性或者減少變換器對(duì)厶C濾波器重量體積的要求，同時(shí)多重、多相復(fù)合變換器還能擴(kuò)大變換器 的輸岀容量。3.13.說(shuō)明單端正激、單端反激DC/DC變換器工作原理。解答:單端正激DC/DC變換器從電路結(jié)構(gòu)、工作原理上可以看出它是帶隔離變圧器的B uck 電路如圖314

34、所示（應(yīng)該畫岀電路兒開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)經(jīng)變壓器將電源能量直送負(fù)載被稱為正 激。但是匝比N2/N1不同時(shí)，輸岀電壓平均值Vo可以低于也可髙于電源電壓Vd。變壓器磁通只 在單方向變化被稱為單端。圖3. 15（b ）所示（應(yīng)該匾岀電路）為單端反激DC/DC變換器,T導(dǎo)通的期間,電源電壓Vd 加至N1繞組，電流直線上升、電感L1儲(chǔ)能增加，副方繞組N2的感應(yīng)電勢(shì)切尸,二極管D1 截止，負(fù)載電流由電容c提供,C放電；在T阻斷的期間，N1繞組的電流轉(zhuǎn)移到N2,感應(yīng)電勢(shì)（反向?yàn)檎?，使DL導(dǎo)電，將磁能變?yōu)殡娔芟蜇?fù)載供電并使電容C充電。該變換器在開(kāi) 關(guān)管導(dǎo)通時(shí)并未將電源能量直送負(fù)載，僅在T阻斷的期間才將變壓器電感磁

35、能變?yōu)殡娔芩椭霖?fù)載 故稱之為反激，此外變壓器磁通也只在單方向變化，故該電路被稱為單端反激I）C/DC變換器。第四章4. 1逆變器輸出波形的諧波系數(shù)HF與畸變系數(shù)DF有何區(qū)別,為什么僅從諧波系數(shù)1 IF還不足 以說(shuō)明逆變器輸岀波形的本質(zhì)？答：總諧波系數(shù)THD建義為皿土1/2第n次諧波系數(shù)IIFn為第】次諧波分量有效值同基波分量有效值之比，即HFn=Vn/VB1 x V畸變系數(shù)DF左義為:DF = _ y （峠）2K 1”234 /廣對(duì)于第n次諧波的畸變系數(shù)DFn有:DFn =占=豎 ir Vj tr諧波系數(shù)I1F顯示了諧波含量，但它并不能反映諧波分量對(duì)負(fù)載的影響程度。很顯然，逆變電 路輸出端的諧

36、波通過(guò)濾波器時(shí)，高次諧波將衰減得更厲害，畸變系數(shù)DF可以表征經(jīng)LC濾波后負(fù) 載電斥波形還存在畸變的程度。4 . 2為什么逆變電路中晶閘管S CR不適于作開(kāi)關(guān)器件？答:1逆變電路中一般采用SPW M控制方法以減小輸岀電壓波形中的諧波含量，需要開(kāi)關(guān)器件工 作在髙頻狀態(tài)，SC R是一種低頻器件,因此不適合這種工作方式。2.SCR不能自關(guān)斷。而逆變器的負(fù)載一般是電感、電容、電阻等無(wú)源元件，除了特殊場(chǎng)合例 如利用負(fù)載諧振進(jìn)行換流，一般在電路中需要另加強(qiáng)迫關(guān)斷回路才能關(guān)斷SCR,電路較復(fù)雜。 因此SCR 般不適合用于逆變器中。4.3圖4. 2(a)和4. 3 (a)中的二極管起什么作用，在一個(gè)周期中二極管

37、和晶體管導(dǎo)電時(shí)間由什 么因素決左,在什么情況下可以不用二極管D,純感性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流為什么是三角形。答:圖中二極管起續(xù)流和箝位作用，在一個(gè)周期中二極管和晶體管導(dǎo)電時(shí)間由三極管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和負(fù) 載電流打的方向共同決左，在純阻性負(fù)載時(shí)可以不用二極管Do純電感負(fù)載時(shí)丄=%，在0S/7；)/2期間，對(duì)于全橋逆變電路有vab=Vd ,對(duì)半橋電路 dt% =嶺/ 2,仃線性上升;在T0/2tT0期間，全橋電路% = -Vd，半橋有% =-Vd/2, ia線性 下降：故電流是三角波。如果耳都是300V,半橋和全橋電路斷態(tài)時(shí)開(kāi)關(guān)器件兩端最髙電壓都是 VKP 300Vo4.4有哪些方法可以調(diào)控逆變器的輸出電壓。答

38、：有單脈波脈寬調(diào)制法、正弦脈寬調(diào)制法(SPWM)、基波移相控制法等。單脈波脈寬調(diào)制法缺 點(diǎn)是諧波含疑不能有效控制：S P WM法既可控制輸出電壓的大小，又可消除低次諧波;移相控制 一般用于大功率逆變器。4.5圖4.6(d)脈寬為&的單脈波矩形波輸出電壓的表達(dá)式為(4J6)式。如果橫坐標(biāo)軸即時(shí)間(相位角)的起點(diǎn)改在正半波脈寬&的中點(diǎn)，試證明，那時(shí)卩也的表達(dá)式應(yīng)為：V（r） = y 巴 sin 蘭 cos（如心金S.W2x 4V nO答：由件16)式，()= 工 (一1)2 sin sin曲),當(dāng)橫坐標(biāo)軸即時(shí)間(相位角)的 n7C 2起點(diǎn)改在正半波脈寬&的中點(diǎn)，相當(dāng)于原波形在時(shí)間上前移了 90,因

39、此將(4-16)中的血用血+ 90代替，即可得到V（r） = y flisincos（7ityr）。n-l.3.5.7.-. H兀24.6正弦脈寬調(diào)制S P w M的基本原理是什么？載波比N、電壓調(diào)制系數(shù)M的左義是什么?改變高頻載波電壓幅值匕“和頻率力為什么能改變逆變器交流輸出基波電壓的大小和基波頻率/； ?答:正弦脈寬調(diào)制SPWM的基本原理是沖屋等效原理：大小、波形不相同的窄變量作用于慣性系 統(tǒng)時(shí)，只要其沖量即變疑對(duì)時(shí)間的積分相等，英作用效果基本相同。如果將正弦波周期分成多個(gè) 較小的時(shí)間段，使PWM電壓波在每一時(shí)間段都與該段的正弦電壓沖量相等,則不連續(xù)的按正弦規(guī) 律改變寬度的多段波電壓就等效

40、于正弦電壓。載波比N泄義為三角載波頻率和正弦調(diào)制波頻率力之比:Nf :電壓調(diào)制系數(shù)M是正弦 調(diào)制波幅值匕”和三角波幅值厶ZLLM=Vn !V（m .Vh = MVd = （Vn/VJV, , M1,改變調(diào)制比M,即可成比例的調(diào)控輸岀電壓的基波大小。 又因?yàn)? fr，所以改變調(diào)制波頻率力，即可調(diào)控輸出電壓的基波頻率齊。4. 7既然SPWM控制能使逆變器輸出畸變系數(shù)很小的正弦波，為什么有時(shí)又要將調(diào)制參考波片從正弦波改為圖4 .11所示調(diào)制波，或改為梯形波，或取（4一37）式所示的附加3次諧波分量的 調(diào)制參考波。答:SPW M法輸岀基波電壓幅值 S匕，有效值VlV1）/y2=0.707 % ,直流電

41、壓利用率 %/1乙50.707。而180。方波逆變時(shí)，逆變電壓基波幅值可達(dá)4耳昇兀，直流電壓利用率為0.9。 因此為了提高SPWM法的直流電壓利用率，可以將調(diào)制參考波匕從正弦波改為圖4.11所示調(diào)制 波，或改為梯形波，或附加3次諧波分疑，這樣調(diào)制參考波匚波形的最大值不超過(guò)匕），不會(huì)出現(xiàn)過(guò) 調(diào)制的情況，但基波電壓幅值可超過(guò)V。,這就可以提髙直流電壓利用率。4.8請(qǐng)解釋圖4一 1 7中輸入宜流電流匚的波形。答：圖4一 17是采用空間矢雖PWM控制方法時(shí)的相關(guān)波形，其中，逆變器輸入直流電流匚可表達(dá) 為：訂=Sa + ShiB + Scic o例如當(dāng)A、B相為下橋臂的T 4、T 6管導(dǎo)通而C相為上橋臂

42、的 T5管導(dǎo)通時(shí)，S = Sh = 0,S= 1 , iD =ic ,若假設(shè)負(fù)載電流為正弦，且相電流滯后相電壓30。, 則在必=0時(shí),= /沖sin(0f + 30) = 1沖/2,在曲=60時(shí)，ic = Ipm a因此在0龍/3周期 中=ic將在圖4 一 17中所示的Ipm /2和Ipm之間脈動(dòng)。同理可以分析岀英他5個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)電流匚的波形，為六倍頻的脈動(dòng)電流，脈動(dòng)周期為 兀/3。4.9試說(shuō)明三相電壓型逆變器SPWM輸出電壓閉環(huán)控制的基本原理。答：引入了逆變器輸出電壓人的閉環(huán)反饋調(diào)石控制系統(tǒng)如圖4.15(b )所示，石為輸岀電壓的指令 值，人為輸出電壓的實(shí)測(cè)反饋值。電壓偏差經(jīng)電壓調(diào)巧器VR輸

43、出調(diào)制電壓波的幅值匕“。匕”與 調(diào)制波的頻率/；共同產(chǎn)生三相調(diào)制波正弦電壓匕、(/)、Vcr(t),它們與雙極性三角載波電 壓匕(f)相比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制各個(gè)全控型開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而控制逆變器輸出的三相交流 電壓。當(dāng)叫產(chǎn)；時(shí)，電壓調(diào)盯器VR輸岀的匕”增大，21值增大，使輸出電壓各脈波加寬，輸岀電壓 %增大到給定值反之當(dāng)時(shí)，I仁減小，M值減小,使輸出電壓人減小到。如果 電壓調(diào)節(jié)器VR為PI調(diào)節(jié)器(無(wú)靜態(tài)誤差)，則可使穩(wěn)態(tài)時(shí)保持Vo = 因此當(dāng)電源電壓叮改 變或負(fù)載改變而引起輸出電壓偏離給怎值時(shí)，通過(guò)電壓閉環(huán)控制可時(shí)輸出電壓人跟蹤并保持為給 定值 4. 1 0 三相逆變器的8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)中有6個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)6個(gè)空間位置固泄、相差60。的非零電 圧空間矢量，另兩個(gè)為零矢量。但三相正弦交流電壓任意時(shí)刻的瞬時(shí)值是一個(gè)以角速度0在空間 旋轉(zhuǎn)的矢量產(chǎn)生的。6個(gè)開(kāi)關(guān)器件的三相逆變器只能產(chǎn)生6個(gè)特泄位置( = O18CF范圉內(nèi)移相