電力電子第三版習(xí)題及解答

1、第 1 章 復(fù)習(xí)題及思考題解答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)備來處理電力電路中電能的產(chǎn)生、傳輸、分配和應(yīng)用問題。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)， 又稱為信息電子技術(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處理電

2、子電路中電信號(hào)的產(chǎn)生、變換、處理、存儲(chǔ)、發(fā)送和接收問題。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、MOST、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)的新興交叉學(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)體電力開關(guān)器件及其組成的電力開關(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

3、后再供負(fù)載使用，有可能獲得更大的技術(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)生產(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)省幾千萬噸以上的煤，或者可以少興建上千萬千瓦的發(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)35倍、可節(jié)電50%而且其重量?jī)H為工頻電感式鎮(zhèn)流器的

4、10%。高頻變壓器重量、體積比工頻變壓器小得多，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）一直流（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)一直流(D.C)電壓變換電路，又叫直流 斬波電路、直流斬波器；(4)交流(A.C)交流(A.C)電壓和/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

5、率、電壓均改變的稱為直接變頻器。1.4圖1.6(a)所示的開關(guān)電路實(shí)現(xiàn) DC/AC逆變變換的基本 原理是什么？從開關(guān)電路的輸出端 C、D能否直接獲得理想圖1.2電力變換類型的正弦基波電壓？直流電源輸出到開關(guān)電路輸入端 流電流？答：(1) DC/AC逆變電路的可以采用三種控制技術(shù)方案： A 180°方波；已 小于 180°單脈沖方波； C PWM$制?；驹?理分別如下：A、180°方波。當(dāng)要求輸出交流電的頻 率為f時(shí)，在半周期T/2 1/2f內(nèi)使S、3導(dǎo)通，S2、S3阻斷，則逆變電路輸出電壓vo VcdVd ;令隨后的 T/2時(shí)間內(nèi)S2、S3導(dǎo)通，S、$阻斷，則逆

6、變電路輸出 電壓為負(fù)的電源電壓(一VD)。因此vO是 頻率為f、幅值為Vd的交流方波電壓，如 圖1.6(b)所示。對(duì)vo進(jìn)行傅立葉分解，得 到其基波電壓有效值為V1 4Vd / 722<12VD / ,大小取決于直流電源的電壓；基波角頻率2 f 2 /T ,取決于開關(guān)的工作頻率。其中含有大量的高次諧波經(jīng)LC濾去后，負(fù)載可獲得正弦交流基波電壓5。B、小于180°單脈沖方波。類似 180°A B的直流電流是否為無脈動(dòng)連續(xù)的直(d) PWM安山電又彼唇方波控制，但是僅在半周的一部分時(shí)間Ton內(nèi)讓相應(yīng)的開關(guān)導(dǎo)通，則VO(VCD)將是導(dǎo)電時(shí)間小于T/2,導(dǎo)電寬度角小于 的矩形波

7、，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 Vi4VD -sin-逑Vd sin或Vi ”Vd sin( Ton/T)。顯然，控制. 222導(dǎo)通時(shí)間可以控制輸出電壓基波大小，而輸出電壓的頻率 f仍取決于開關(guān)工作頻率。C、若采用高頻開關(guān)PWM$制策略，則交流輸出電壓Vo為圖1.6(d)所示的脈沖寬度調(diào)制(PWM的交流電壓，車出電壓波形 vo更接近正弦波且其中諧波電壓的頻率較高，只需要很 小的LC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技術(shù)方案。(2) 不能直接獲得理想的正弦基波電壓。(3) 是有脈動(dòng)非連續(xù)的直流電流，正因?yàn)檫@樣，所以在直流側(cè)串聯(lián)了LdCd濾波器。

8、1.5 開關(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關(guān)電路，開關(guān)電路輸出端電壓和開關(guān)電路輸入端電流都不可能是理想的直流或無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PWM6制技術(shù)。(3) 電力電子變換器工作時(shí)，開關(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 開關(guān)型電力變換器有哪兩類應(yīng)用領(lǐng)域？

9、說明開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器能輸出指令所 要求的任意頻率、波形的電壓、電流的基本原理。答：(1)開關(guān)型電力變換器按功能可分為兩大應(yīng)用領(lǐng)域：A、開關(guān)型電力電子變換電源或簡(jiǎn)稱開關(guān)電源。由半導(dǎo)體開關(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。B、開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器。它又分為兩種類型：電壓、電流(有功功率、無功功率) 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。(2)開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器能輸出指令

10、所要求的任意頻率、波形的電壓、電流的基本 原理如下：T on(a)主電路LtKR'TK=Ton+Toff '(b)輸出電壓波形圖1.10(a)電路中，周期性的控制四個(gè)開關(guān)管的通、斷狀態(tài)，在一個(gè)開關(guān)周期Tk中，可輸出圖 1.10 (b)所示的PWM矩形波電壓 vo(t) (LMNR),在Ton DTk期間電壓VAB(t)Vd,在 ToffTkTon(1D)Tk 期間VAB(t)0。在一個(gè)周期時(shí)期Tk 中，vo(t)的平均值為Vo Vd Ton/TK DVd ,即圖中矩形波電壓 EFHG。若開關(guān)管通、斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換的 開關(guān)頻率fK 1/TK很高，即周期 TK很小，則實(shí)際輸出脈寬為Ton

11、,幅值為VD的電壓(LMNR)與脈寬為Tk,幅值為平均值電壓 DVd(EFHG)都是歷時(shí)很短的脈沖電壓。采樣控制理論中的脈沖量等效原理是：兩個(gè)波形不同的窄脈沖電壓v1(t) ( LMNR )、v2(t)(EFHG),只要在同一時(shí)期 Tk中，其脈沖量積分值v(t)dt相等，則它們作用于同一個(gè)慣性系統(tǒng)，如 RL電路時(shí)的響應(yīng)是等效的，因此開關(guān)電路在整個(gè)開關(guān)周期Tk時(shí)期中輸出的vo(t)可等效為幅值為 DVd ,歷時(shí)TK的電壓瞬時(shí)值(EFHG )。如果要求開關(guān)電路輸出圖*1.10(C)中Vo(t)所小波形的指令電壓，即在 t tK瞬間指令電壓為Vo(tK),則在以tK點(diǎn)為 中心的一個(gè)開關(guān)周期Tk中，控

12、制開關(guān)管的通、斷狀態(tài)及其導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間，使占空比一 一一一一一一 一一 一 一一 一一 * 一 .D(t) Dk Ton/TK,使平均電壓Vo(t)Vo(tK)D(t)VdVdTon/TKVo(tK),即 Tk周*期中的占空比D(t)Vo (tK)/VD,以此控制圖1.10(a)中ShS2、S3、S4的通斷狀態(tài)，使Ton=D(t) Tk , Toff 1 D(t) Tk ,即可使輸出電壓跟蹤任意頻率、波形、相位的指令> -，一 *電壓值vo(t)。-. . ，一 、 、 *米用圖1.10 (a)所不開關(guān)型變流器也能向電網(wǎng)輸出任意波形的指令電流io(t)。為此，原理上只要在控制系統(tǒng)中設(shè)置一

13、個(gè)電流閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電流io(t)并與指令值*io(t)相比較，將差值iio(t)io (t)經(jīng)電流調(diào)節(jié)器輸出一個(gè)控制電壓Vc,調(diào)控占空比D,、一 * . . .當(dāng)io(t) io(t)時(shí)，控制電壓 Vc增大，使D增大，導(dǎo)致Vo(t)加大，io(t)加大，使io(t)跟蹤io(t),達(dá)到io(t) io(t)。反之，當(dāng)io(t) io(t)時(shí)，控制電壓Vc減小，使占空比D減小，Vo(t) 減小，io(t) 減小，io(t) 跟蹤指令值io*(t) ， 達(dá)到 io(t) io* (t) 。 因此， 只要根據(jù)指令電流io*(t)的正、負(fù)數(shù)值，實(shí)時(shí)、適式地調(diào)控各開關(guān)管的通、斷狀態(tài)及相應(yīng)的

14、占空比 D 值，就可使開關(guān)電路輸出指令所要求的任意頻率、波形、相位的電流io(t) 。第 2 章 復(fù)習(xí)題及思考題解答2.1 說明半導(dǎo)體PN結(jié)單向?qū)щ姷幕驹砗挽o態(tài)伏-安特性。答：PN結(jié)一一半導(dǎo)體二極管在正向電壓接法下(簡(jiǎn)稱正偏)，外加電壓所產(chǎn)生的外電場(chǎng) Ee與內(nèi)電場(chǎng)Ei方向相反，因此 PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)被削弱。內(nèi)電場(chǎng)Ei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)散越過交界面， 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)，其

15、PN結(jié)等效正向電阻很小， 管子兩端正向電壓降僅約 1V 左右 (大電流硅半導(dǎo)體電力二極管超過1V，小電流硅二極管僅0.7V ， 鍺二極管約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))的開關(guān)。 PN 結(jié)結(jié)結(jié)半導(dǎo)體二極管在反向電壓接法下(簡(jiǎn)稱反偏)外加電壓所產(chǎn)生的外電場(chǎng)Ee與原內(nèi)電場(chǎng)Ei方向相同。因此外電場(chǎng)使原內(nèi)電場(chǎng)進(jìn)一步增強(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)二極管電流極小。在一定的溫度下，二極管反向電流IR在一

16、定的反向電壓范圍內(nèi)不隨反向電壓的升高而增大，為反向飽和電流1so因此半導(dǎo)體PN結(jié)呈現(xiàn)出單向?qū)щ娦浴Ｆ潇o態(tài)伏一安特性曲線如左圖曲線所示。但實(shí)際二極管靜態(tài)伏一安特性為左圖的曲線。二極管正向?qū)щ姇r(shí)必須外加電壓超過一定的門坎電壓Vth (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0.5V ，鍺二極管約為 0.2V ，當(dāng)外加電壓大于Vth 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VR 不超過某一臨界擊穿電壓值VRBR時(shí)才會(huì)使反向電流I R保持為反向飽和電流I So實(shí)際二極管的反向飽和電流1s是很小

17、的。但是當(dāng)外加反向電壓 Vr超過VrBR后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加。2.2 說明二極管的反向恢復(fù)特性。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VD12V,二極管仍然具有導(dǎo)電性， 在反向電壓作用下， 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VD 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，僅流過很小的反向飽和電流I S 。因此，二極管正向?qū)щ婋娏鳛榱愫笏⒉荒芰⒓淳哂凶钄喾聪螂妷旱哪芰?，必須再?jīng)歷一段反向恢復(fù)時(shí)間 trr 后才

18、能恢復(fù)其阻斷反向電壓的能力。2.3 說明半導(dǎo)體電力三極管BJT 處于通態(tài)、斷態(tài)的條件。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IB大于基極飽和電流IBS （已知三極管的電流放大系數(shù) ，有 I BS I CS /） 。這時(shí)三極管rT0 、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)閉合的開關(guān)。 BJT 處于斷態(tài)的條件是：基極電流 I B 為零或是施加負(fù)基極電流， 即 I B 0 。 這時(shí) BJT 的等效電阻近似為無限大而處于斷態(tài)。2.4 電力晶體管BJT的四個(gè)電壓值BVcex、BVces、BVcER和 BVceo的定義是什么？其大小關(guān) 系如何？答：BVcex、BV

19、ces、BVcer和BVceo分別為不同基極狀態(tài)下的三極管集-射極擊穿電壓值:BVcex定義為基極反偏時(shí)，三極管集 -射極電壓擊穿值；BVces為基極短接、基極電壓為0時(shí)，三極管集-射極電壓擊穿值；BVcer為基極接有電阻短路時(shí)的集 -射極擊穿電壓值要；BVceo為基極開路時(shí)集-射極擊穿電壓值。其大小關(guān)系為：BVcex BVces BVcer BVce。2.5 說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？ 答：基本工作原理：見課本 p36-37;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

20、程，使i 2不斷增大，最后使 12 1, Ia很大，晶閘管變成通態(tài)；撤去門極電流后由于 12 1,仍可使1A I-很大，保持通態(tài)。1( 12)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。另外正向過電壓、高溫、高的dv/dt都可能使晶閘管導(dǎo)通，但這是非正常導(dǎo)通情況。要使晶閘管轉(zhuǎn)入斷態(tài)，應(yīng)設(shè)法使其陽極電流減小到小于維持電流Ih ,通常采用使其陽極 A與陰極K之間的電壓Vak為零或反向。2.6 直流電源電壓 Vs = 220V,經(jīng)晶閘管T對(duì)負(fù)載供電。負(fù)載電阻 R = 20 Q ,電感L=1H,晶 閘管擎住電流lL=55mA維持電流lH=22mA用一個(gè)方波脈沖電流觸發(fā)

21、晶閘管。試計(jì)算： 如果負(fù)載電阻R =20，觸發(fā)脈沖的寬度為 300s,可否使晶閘管可靠地開通？如果晶閘管已處于通態(tài)， 在電路中增加一個(gè)1KQ的電阻能否使晶閘管從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)？為什么晶閘管的擎住電流Il比維持電流Ih大？答：Ri(t) Vs ,由此可解出：當(dāng)t 300us時(shí)，,di(t)設(shè)晶閘管開通：Ldti(t) 65.8mA Il 55mA ,所以可以使晶閘管可靠導(dǎo)通。(2)加入1K電阻后，有i一s一 215.7mA 1H 22mA,不能使晶閘管由通態(tài)R R'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)電流的條件下定義的，因此陽極電流IIo

22、 Q但維持電流是在通態(tài)時(shí)考慮的，此時(shí)A 1 ( 12)管子已工作在較大電流狀態(tài)下，管內(nèi)結(jié)溫較高，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 1A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)定義的，開 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)漏電流Io不大，導(dǎo)通能力弱，需要較大的陽極電流才能使管子開通。2.7 額定電流為10A的晶閘管能否承受長(zhǎng)期通過 15A的直流負(fù)載電流而不過熱？答：額定電流為10A的晶閘管能夠承受長(zhǎng)期通過 15A的直流負(fù)載電流而不過熱。因?yàn)榫чl管的額定電流Ir是定義的：在環(huán)境溫度為 40 c和規(guī)定的散熱冷卻條件下，晶閘管在電阻性負(fù) 載的

23、單相、工頻正弦半波導(dǎo)電、結(jié)溫穩(wěn)定在額定值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任意波形、有效值為1.57 I R的電流，其發(fā)熱溫升正好是允許值，而恒定直流電的平均值與有效值相等，故額定電流為10A的晶閘管通過15.7A的直流負(fù)載電流，其發(fā)熱溫升正好是允許值。2.8 說明GTO勺關(guān)斷原理。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)a2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-a2變大，1c急劇減小，就是陽極電流 1A急劇減小，又導(dǎo)致電流分配系數(shù)a2和a1減小，使iC1急劇減小，又使IC、1A減小。在這種的道.增強(qiáng)型F如SHET看

24、電躋I循環(huán)不已的正反饋?zhàn)饔孟?，最終導(dǎo)致GTOTO極電流減小到維 持電流以下，GTO從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。2.9 說明P MOSFET1極電壓Vgs控制漏極電流I d的基本 原理。答：當(dāng)右圖中P-MOSFETt 一源極間電壓 VDS為零、柵一源極之間電壓 Vgs也為零時(shí)，N型半 導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體之間要形成 PN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 Vds時(shí)，如果柵極、源極外加電壓Vgs=0, 由于漏極D（N1）與源極S（N2）之間是兩個(gè)背靠背的 PN結(jié)（PN1、PN2）,無論VDS是正向電壓還 是負(fù)電壓，都有一個(gè) PN結(jié)反偏，故漏一源極

25、之間也不可能導(dǎo)電。當(dāng)柵、源極之間外加正向 電壓Vgs>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)VGS增大到超過某一值 VGSth值時(shí)，N和N2中間地區(qū)靠近 G極處被G極正電位所吸引的電子數(shù)超過該處的空穴數(shù)以后，柵極下面原空穴多的P型半導(dǎo)體表面就變成電子數(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)電子濃度很高的溝道（稱為N溝道），這個(gè)溝道將N1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)J1消失，成為 漏極D和源極S之間的導(dǎo)電溝道，一旦漏一

26、源之間也有正向電壓 VDS，就會(huì)形成漏極電流ID o 在VGS =0時(shí)，VDS不能廣生電流，I D =0,僅在VGS增大到VGS=VGSth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ID ,這種改變柵極 G和源極S之間外加電壓VGS ,即可控制漏極電流1 D的作用稱為電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。2.10 作為開關(guān)使用時(shí) P- MOSFE播件主要的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？答：作為開關(guān)使用時(shí)，PMOSFE喘件的優(yōu)點(diǎn)是：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；其缺點(diǎn)是：通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大），電壓、電流定額低。2.11 列表比較BJT、SCR GTO P- MOSFET IG

27、BT、MCT種可控開關(guān)器件對(duì)觸發(fā)（或驅(qū)動(dòng)） 電流（或電壓）波形的要求，及主要優(yōu)缺點(diǎn)。答：表 BJT SCR GTO P - MOSFET IGBT MCT 的對(duì)比器件對(duì)觸發(fā)信號(hào)波形的要求開關(guān)頻率單極或雙極主要優(yōu)點(diǎn)主要缺點(diǎn)BJT（電流型 金控器件）正持續(xù)基極電流控制開通；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）正脈沖門極電流控制開通；觸發(fā)信號(hào)不能控制關(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GTO（電流型 金控器件）正脈沖門極電流控制開通；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 -MOSFE T（電

28、玉型全控器件）正持續(xù)柵極電壓控制開通；負(fù)持續(xù)柵極電壓控制并保持關(guān)斷高單極輸入阻抗高，驅(qū) 動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率圖通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大）電壓、電流定額低IGBT（電壓型 金控器件）正持續(xù)柵極電壓控制開通；負(fù)持續(xù)柵極電壓控制并保持關(guān)斷較局雙極輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率圖通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大）MCT（電壓型 金控器件）正脈沖電壓控制開通；負(fù)脈沖電壓控制關(guān)斷較局（低于IGBT）雙極輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率圖通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大）2.12 21世紀(jì)電力電子開關(guān)器件最可能的重大技術(shù)發(fā)展是什么?答：21世紀(jì)電力電子開關(guān)器件最可能的重大技術(shù)發(fā)展是將半導(dǎo)

29、體電力開關(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PIC。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，大大提高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 PIC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3章 復(fù)習(xí)題及思考題解答3.1 直流一直流電壓變換中開關(guān)器件的占空比D是什么？推證圖 3.1(c)所示脈寬時(shí)間為Ton、脈寬角度為 、周期為TS

30、、幅值為VS的方波脈沖電壓VO (t)的直流平均值及各次諧波的 幅值。驅(qū)動(dòng)番號(hào)!c)飄動(dòng)信號(hào)段蠟姍電藤波形圖3.1 Buck變換器電路結(jié)構(gòu)及降壓答：占空比D是開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間 Ton與開關(guān)周期TS的比值。圖3.1(c)中方波脈沖電壓vo可以表示為如下傅立葉表達(dá)式:cos(n at)但sin(nDM n冗Vo (cot) DVs2VLsin(nDjt)n1 n %其中常數(shù)項(xiàng)為直流平均值，即V DVs ；各余弦項(xiàng)為各次諧波，其幅值為：2Vs . ,ansin(n-)nu 23.2 脈沖寬度調(diào)制PWM口脈沖頻率調(diào)制 PFM的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？答：脈沖寬度調(diào)制方式 PWM保持Ts不變(開關(guān)頻率不變)，改變T

31、on調(diào)控輸出電壓 V。脈沖頻率調(diào)制方式 PFM保持幾口不變，改變開關(guān)頻率或周期調(diào)控輸出電壓V。實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用 PWMT式。因?yàn)椴捎枚lPWMf關(guān)時(shí)，輸出電壓中諧波的頻率固定, 濾波器設(shè)計(jì)容易，開關(guān)過程所產(chǎn)生電磁干擾容易控制。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)。但是在諧振軟開關(guān)變換器中為了保證諧振過程的完成，采用 PFMg制較容易實(shí)現(xiàn)。3.3 Buck變換器中電感電流的脈動(dòng)和輸出電壓的脈動(dòng)與哪些因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以解 釋。答：電感電流的脈動(dòng)量與電感量L、開關(guān)頻率f 5、輸入電壓Vs、輸出電壓VO有關(guān)，輸出電壓的脈動(dòng)量與電感量 L、電容量C、開關(guān)頻率f、輸出電壓Vo有

32、關(guān)。電感量L、電容量C越S大其濾波效果越好，而開關(guān)頻率f越高，濾波電感的交流阻抗 3 L就很大，它對(duì)直流電壓S的阻抗基本為0,同時(shí)濾波電容的交流阻抗 1, L很小。3.4 Buck變換器斷流工況下的變壓比M與哪些因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以解釋。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有關(guān)，還與負(fù)載電流 片的大小、電感L、開關(guān)頻率fs以及電壓Vo等有關(guān)。3.5 圖3.2(a)、3.5(a)電路穩(wěn)態(tài)時(shí)在一個(gè)開關(guān)周期中，電感電流的增量Il 0 ,電感L的磁通增量是否為零，為什么？電容C的電流平均值為零， 電容C端電壓的增量是否為零， 為什 么？答：電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感

33、電流的增量IL 0,同時(shí)電感L的磁通增量0,因?yàn)槿绻粋€(gè)周期內(nèi)電感的磁通增量0,那么電感上的磁通將無法復(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)開關(guān)周期內(nèi)電感L的磁通增量0。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，即電容上電荷增量Q 0,而電容端電壓增量uc ,故電容C端電壓的增量也為 0。CR)32<«)圖3.53.6 Buck變換器中電流臨界連續(xù)是什么意思？當(dāng)負(fù)載電壓V。、電流Io一定時(shí)在什么條件下可以避免電感電流斷流？答：Buck變換器中電感電流臨界連續(xù)是指處于電感電

34、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V。、電流I。一定時(shí)增大電感量L和提高開關(guān)頻率f都可以避免電感電流斷流。S3.7 開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)直流升壓變換的基本原理是什么?答：為了獲得高于電源電壓 Vs的直流輸出電壓VO, 一個(gè) 簡(jiǎn)單而有效的辦法是在變換器開關(guān)管前端插入一個(gè)電感L,如右圖所示。在開關(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)所產(chǎn)生的反電勢(shì)eL (在電感電流減小時(shí)，eLLdi l/ dt為正值)，將此電感反電勢(shì) eL與電源電壓Vs串聯(lián)相加送至負(fù)載，則負(fù)載就可獲得高于電源電壓 Vs的直 流電壓V。，從而實(shí)現(xiàn)直流升壓變換。3

35、.8 Boost變換器為什么不宜在占空比 D接近1的情況下工作？答：因?yàn)樵贐oost變換器中，開關(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)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，能量才從電感中釋放到負(fù)載。如果占空比D接近于1,那么開關(guān)接近于全導(dǎo)通狀態(tài)，幾乎沒有關(guān)斷時(shí)間，那么電感在開關(guān)管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的能量沒有時(shí)間釋放，將造成電感飽和，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接近于無窮大，這顯然與實(shí)際不符，將造成電路無法正常工作。3.9 升壓降壓變換器(C

36、uk變換器)的工作原理及主要優(yōu)點(diǎn)是什么？答：Cuk變換器在一個(gè)開關(guān)周期中，Tff期間，令開關(guān)管 T導(dǎo)通，這時(shí)電源經(jīng)電感L1和T短路，L1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 C1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Toff期間，開關(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，L2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)開關(guān)管使電路同時(shí)具有升、降壓功能；而且該變換器輸入輸出電流脈動(dòng)小。3.10 如何理解 Cuk變換器中間電容電壓VC1等于電源電壓Vs與負(fù)載電壓 Vo之和，即Vc1 Vs Vo ?答：電感電壓V

37、l d /dt Ldi/dt,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)開關(guān)周期Ts中電感Li、L2電流增量為零，磁鏈增量為零，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)圖可直接得到直流平均電壓Vci Vs Vo。3.11 直流一直流四象限變換器的四象限指的是什么？直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的四象限指的 是什么？這兩種四象限有什么對(duì)應(yīng)關(guān)系？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I均可正可ABAB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)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速有：N EaVAB Ra I AB VabKeKeKe對(duì)于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 Te：Te KT

38、I AB在勵(lì)磁電流不變、磁通不變時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩大小和方向由Va& I AB決定。通過改變Vab的大小及Iab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3.9(d)所示。卜R2SD：2iDi Tj?r L2.Ha H小卜氮一、獨(dú)附里跑變奧盤雪七辛八L第-一印周附象聞典或“國(guó)仙一町池公5Tjil。皿l-i( 口/居轉(zhuǎn)換.卡口('以A U . % = % 心日有此值，用前正位a電流從R-簞4

39、1t為正第一象里 甲1”口 M5 02口口通W轉(zhuǎn)疆 “口-明,匕 下 h吃二o為正犯，M % M的，電枇從R一樂3為負(fù)值，7；為面加L心嚴(yán)廠修"息第一期的N|kG>。Mg > uT*西必可LE J通斯轉(zhuǎn)換，吊女”。典r / >。.七一 匕由為筑脩，Y為負(fù)a,電流叢a-B* /劉期正斷,£第2D掣般 加仲陽 邛為>><»上不山第一名限人如 口 U由R丁|通衢轉(zhuǎn)換，口*:門/,尸1%。-*&一0.<«力但值.N為負(fù)值，電向MB-M品為假 僦，口為玩血 /下坑/:門用S3 ?望即宮藐宜近皆余呼兩直看電機(jī)電捉供電

40、3.12 多重、多相直流/直流變換器中，多重(重?cái)?shù) m 1),多相(相數(shù)n 1)指的是什么意 義？多重、多相變換器的優(yōu)點(diǎn)是什么？答：假定變換器中每個(gè)開關(guān)管通斷周期都是Ts,多重(重?cái)?shù)m 1)是指：在一個(gè)Ts周期中變換器負(fù)載電流io(t)脈動(dòng)m次(m 1),即io(t)脈動(dòng)頻率為mfs。多相(相數(shù)n 1)是指： 在一個(gè)Ts周期中變換器電源側(cè)電流is脈動(dòng)n次，即is(t)脈動(dòng)頻率為nfs。多重、多相變換 器的優(yōu)點(diǎn)是：其輸出電壓、輸入電流脈動(dòng)頻率比單個(gè)變換電路成倍地提高，因而可以顯著改善變換器輸入、輸出特性或者減少變換器對(duì)LC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)大變換器的輸出容量。3

41、.13 說明單端正激、單端反激DC/DC變換器工作原理。答：?jiǎn)味苏?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壓器的Buck電路如圖3.11(b)所示，開關(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)，輸出電壓平均值Vo可以低于也可高于電源電壓 Vd。變壓器磁通只在單方向變化被稱為單端。圖3.12(b)所示為單端反激 DC/DC變換器，T導(dǎo)通的期間，電源電壓 Vd加至N1繞組， 電流卜直線上升、電感L1儲(chǔ)能增加，副方繞組 N2的感應(yīng)電勢(shì)eDF O,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)

42、eDF 0（反向?yàn)檎笵1導(dǎo)電，將磁能變?yōu)殡娔芟蜇?fù)載供電并使電容C充電。該變換器在開關(guān)管T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 DC/DC變換器。他I單端止澈DCJLKJ變換器i ' +科風(fēng)小工中不圖三n變換器和單端正赧DC1X.變摭器S3. 12丑明交換器和單用反激M/DC兗揍器3.14 具有中間交流環(huán)節(jié)變壓器隔離的半橋、全橋和推挽型DC/AC-AC/DC變換器各有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：三種變換器都有高頻隔離變壓器，輸入輸出側(cè)實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，高頻變壓器體積、重量小；輸出LC濾波

43、器主要濾除高頻諧波，LC濾波器比較?。恢麟娐犯哳l開關(guān)可以采用軟開關(guān)工作模式，從而減小開關(guān)損耗；輸出既可以實(shí)現(xiàn)升壓又可以實(shí)現(xiàn)降壓，電壓調(diào)控范圍寬。第4章 復(fù)習(xí)題及思考題解答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)HF還不足以說明逆變器輸出波形的本質(zhì)？第n次諧波系數(shù)HFn為第n次諧波分量有效值同基波分量有效值之比，即HFn= Vn/V1,12總諧波系數(shù)THD定義為：THD JVn ,畸變系數(shù)DF定義為：Vl n 2,3,41 2DF （烏）2,對(duì)于第n次諧波的畸變系數(shù) DFn有：DFn 上”V1 n 2,3,4 nn V1n諧波系數(shù)HF顯示了諧波含量，但它并不能

44、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波通過濾波器時(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)載電壓波形還存在畸變的程度。4.2為什么逆變電路中晶閘管 SCR適于作開關(guān)器件？答：（1）逆變電路中一般采用 SPWM!制方法以減小輸出電壓波形中的諧波含量，需要開關(guān)器件工作在高頻狀態(tài)，SC瓶一種低頻器件，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一般不適合用于逆變器中。4.3 圖4.2(a)和4.3(a)

45、中的二極管起什么作用， 在一個(gè)周期中二極管和三極管導(dǎo)電時(shí)間由 什么因素決定，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？圖4.2單相半橋逆變電路及電壓、電流波形圖4.3單相橋式逆變電路及電壓、電流波形答：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ia的方向共同決定，在純阻性負(fù)載時(shí)可以不用二極管DodL純電感負(fù)載時(shí)，L-a Vab(或Van),在0 t 丁0 / 2期間，對(duì)于全橋逆變電路有Vab Vd,dt對(duì)半橋電路VanVd/2,ia線性上升；在T0/2tT。期間，全橋電路VabVd,半橋有VanVd/2, ia線性下降；故

46、電流ia是三角波。4.4 有哪些方法可以調(diào)控逆變器的輸出電壓。答：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)是諧波含量不能有效控制；SPWMt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 SPWM的基本原理是什么？載波比N和電壓調(diào)制系數(shù) M的定義是什么？在高頻載波電壓幅值Vcm和頻率fc恒定不變時(shí)，改變調(diào)制參考波電壓幅值 Vrm和頻率fr為什么能改變逆變器交流輸出基波電壓V1的大小和基波頻率 f1?如果要改變輸出基波的相位應(yīng)該如何調(diào)控？答：正弦脈寬調(diào)制 SPWMJ基本原理是沖量等效原理：大小、波形不相同的窄變量作用于慣性

47、系統(tǒng)時(shí)，只要其沖量即變量對(duì)時(shí)間的積分相等，其作用效果基本相同。 如果將正弦波周期分成多個(gè)較小的時(shí)間段，使PWMfe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于正弦電壓。載波比N定義為三角載波頻率fc和正弦調(diào)制波頻率fr之比：N= fc/ fr；電壓調(diào)制系數(shù)M是正弦調(diào)制波幅值 Vrm和三角波幅值Vcm之比 隹Vrm / Vcm .V1mMV d(Vrm /Vcm )Vd , M 1 , 改變調(diào)制比M， 即可成比例的調(diào)控輸出電壓的基波大小。又因?yàn)?f1fr ，所以改變調(diào)制波頻率fr ，即可調(diào)控輸出電壓的基波頻率f1 ，改變調(diào)制波電壓幅值Vrm可以改變

48、調(diào)制比 M,從而可以改變交流輸出基波電壓Vi的大小。如果要改變輸出基波的相位，僅需改變正弦調(diào)制波的相位即可。4.6 SPWM調(diào)制中，設(shè)載波比遠(yuǎn)大于基波頻率且不過調(diào)制。當(dāng)調(diào)制比相同但載波比不同時(shí)，兩種情況下逆變器輸出基波電壓是否有所不同？哪種情況下輸出電壓的諧波頻率更低？答：SPW蜩制中，當(dāng)載波比遠(yuǎn)大于基波頻率且不過調(diào)制，如果調(diào)制比相同但載波比不同時(shí)，由于V1mMVd ， 因此兩種情況下輸出基波電壓是一致的。 但是兩種情況下輸出電壓的諧波是有差異的，而且較小載波比對(duì)應(yīng)的輸出電壓諧波頻率更低。4.7 SPWM出現(xiàn)過調(diào)制時(shí)，其輸出電壓有哪些特點(diǎn)？答：又于 SPWM當(dāng)出現(xiàn)過調(diào)制時(shí)，對(duì)應(yīng)的調(diào)制比M 1,

49、此時(shí)正弦調(diào)制波幅值超過三角載波幅值， 可能在多個(gè)載波周期內(nèi)都和三角波沒有交點(diǎn)， 開關(guān)頻率會(huì)急劇下降， 同時(shí)等效調(diào)制波不再是原來的理想正弦波，而是在正弦波峰處出現(xiàn)平頂?shù)牟ㄐ危捎赩1mMV d(Vrm /Vcm )Vd ，因此逆變器輸出電壓波形也是正弦波峰處出現(xiàn)平頂?shù)牟ㄐ危摬ㄐ魏泻芏嗟皖l諧波分量，當(dāng)然對(duì)應(yīng)的輸出電壓基波分量比沒有過調(diào)制時(shí)要大一些。4.8 為什么在載波比較低的應(yīng)用中希望用同步調(diào)制？答：進(jìn)行SPW蜩制時(shí)，通常令載波比為整數(shù)，這種調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。當(dāng)載波比不是整數(shù)時(shí)， 稱為異步調(diào)制。 在異步調(diào)制時(shí)諧波的頻率一般不再是基波的整數(shù)倍， 這種非基波整數(shù)倍頻的諧波被稱為次諧波。 如果載

50、波比較高， 次諧波的頻率也較高， 次諧波的影響可以不用單獨(dú)考慮。 但在載波比很低的應(yīng)用場(chǎng)合， 由于載波頻率離基波頻率很近， 所以載波頻率處的邊頻帶諧波將會(huì)延伸到很低的頻段，有可能產(chǎn)生低于基波頻率甚至接近零赫茲的次諧波。這種低頻次諧波很難濾除， 而且對(duì)裝置運(yùn)行非常不利。 所以低載波比的應(yīng)用場(chǎng)合必須使用同步調(diào)制， 而且最好令載波比是奇數(shù)， 因?yàn)槠鏀?shù)載波比可以保證最低次諧波至少是三倍基波頻率。4.9 單級(jí)倍頻SPWMK如果僅用一個(gè)三角載波vc,兩個(gè)橋臂分別使用反相的正弦參考波vr和Vr ,是否可以獲得圖 4.11所示的相同調(diào)制效果？如果可以，應(yīng)該如何控制開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖?答：在單級(jí)倍頻spwM如果僅

51、用一個(gè)三角載波 vc,兩個(gè)橋臂分別使用反相的正弦參考波Vr和Vr ,可以獲得圖4.11所示的相同調(diào)制效果。開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖按照下圖產(chǎn)生:Vr與-Vr是調(diào)制波，Vc是周期4.10 推導(dǎo)單極性規(guī)則采樣調(diào)制時(shí)的占空比計(jì)算公式。答：如下圖所示，為單極性倍頻不對(duì)稱規(guī)則采樣時(shí)的過程圖,為工幅值為土 Mm的三角波。在采樣周期的起始時(shí)刻t1取樣調(diào)制波的大小 Vr(t1)與-Vr(t1),并以Vr(t1)與-Vr(t1)分別為高作水平線，該水平線和載波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)脈沖的前沿時(shí)刻ta與t4。在采樣周期的中點(diǎn)時(shí)刻 t2取樣調(diào)制波的大小 Vr(t2)與-Vr(t2) 為高作水平線，該水平線和載波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)脈沖的后

52、沿時(shí)刻T %*&! , T主*汕2,相應(yīng)的占空比為：D 工© aba2 Vcm2 VcmTs / 2 Vcm，并以tb與，DbVr(t2)與-Vr(t2)t5。由圖可知：TbTs/2vr(t2) 。般情況下，TaW Tb,所以每個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖波形相對(duì)于采樣周期中點(diǎn)時(shí)刻Vcmt2是不t 1或t 2時(shí)刻進(jìn)行一次采對(duì)稱的，故稱之為不對(duì)稱規(guī)則采樣。有時(shí)候在一個(gè)采樣周期內(nèi)僅在 樣，該采樣值既用于計(jì)算 K也用于計(jì)算Tb,這時(shí)的脈沖波形顯然對(duì)于采樣周期的中點(diǎn)時(shí)刻 t 2對(duì)稱，故稱為對(duì)稱規(guī)則采樣。tiTs/2Ts/2-Vr IV4.11試說明三相電壓型逆變器 SPW喻出電壓閉環(huán)控制的基本

53、原理。 、 、 、 ，一 一 . *答：引入了逆變器輸出電壓的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)如下圖所不，Vi為輸出基波電壓有效值的指令值，Vi為輸出基波電壓有效值的實(shí)測(cè)反饋值。電壓偏差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器VR輸出調(diào)制電壓波的幅值Vg。Vg與調(diào)制波的頻率共同產(chǎn)生三相調(diào)制波正弦電壓Var(t)、Vbr(t)、Vcr(t)，它們與雙極性三角載波電壓 Vc(t)相比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制各個(gè) 全控型開關(guān)器件的通斷，從而控制逆變器輸出的三相交流電壓。 當(dāng)Vl<Vl時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器VR輸出的Vrm增大，M值增大，使輸出電壓各脈波加寬，輸出電壓V1增大到給定值 Vi ;反之當(dāng)Y1>Vi時(shí)，Vrm減小，M值減小，使輸出

54、電壓V1減小到Vi。> . 一 一一一 一 ,一 ，一 .»»，» *如果電壓倜節(jié)器 VR為PI倜節(jié)器(無靜態(tài)誤差)，則可使穩(wěn)態(tài)時(shí)保持 Vi = Vi o因此當(dāng)電源電壓Vd改變或負(fù)載改變而引起輸出電壓偏離給定值時(shí)，通過電壓閉環(huán)控制可時(shí)輸出電壓Vi. *跟蹤并保持為給定值Vi。Ta4.12試仿口圖4.12和(4-36)、(4-37)式，畫出單極性規(guī)則采樣的波形圖并推導(dǎo)脈沖計(jì)算 公式。答：如下圖所示，為單極性倍頻不又稱規(guī)則采樣時(shí)的過程圖，vr與-vr是調(diào)制波，Vc是周期為工幅值為土 Mm的三角波。在采樣周期的起始時(shí)刻 tl取樣調(diào)制波的大小 Vr(t1)與-Vr(

55、t1), 并以Vr(t1)與Vr(t1)分別為高作水平線，該水平線和載波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)脈沖的前沿時(shí)刻ta與t4。在采樣周期的中點(diǎn)時(shí)刻 t2取樣調(diào)制波的大小 Vr(t2)與-Vr( t 2),并以Vr( t 2)與-Vr(t2) 為高作水平線，該水平線和載波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)脈沖的后沿時(shí)刻tb與t5。由圖可知：TaTs*Vr(t)Ts*Vr(t2)， Tb 2Vcm2Vcm一般情況下，TaWTb,所以每個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖波形相對(duì)于采樣周期中點(diǎn)時(shí)刻t2是不對(duì)稱的，故稱之為不對(duì)稱規(guī)則采樣。有時(shí)候在一個(gè)采樣周期內(nèi)僅在t1或t 2時(shí)刻進(jìn)行一次采樣，該采樣值既用于計(jì)算 R也用于計(jì)算Tb,這時(shí)的脈沖波形顯然對(duì)于采樣周期的中點(diǎn)時(shí)刻 t 2對(duì)稱