华科电力电子第三版习题及解答.doc

1、 第1章 复习题及思考题解答1.1 电力技术、电子技术和电力电子技术三者所涉及的技术内容和研究对象是什么？三者的技术发展和应用主要依赖什么电气设备和器件？答：电力技术涉及的技术内容：发电、输电、配电及电力应用。其研究对象是：发电机、变压器、电动机、输配电线路等电力设备，以及利用电力设备来处理电力电路中电能的产生、传输、分配和应用问题。其发展依赖于发电机、变压器、电动机、输配电系统。其理论基础是电磁学(电路、磁路、电场、磁场的基本原理)，利用电磁学基本原理处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。电子技术，又称为信息电子技术或信息电子学，研究内容是电子器件以及利用电子器件来处理电子电路中电信

2、号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题。其研究对象:载有信息的弱电信号的变换和处理。其发展依赖于各种电子器件（二极管、三极管、MOS管、集成电路、微处理器电感、电容等）。电力电子技术是一门综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。它涉及电力电子变换和控制技术技术，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。研究对象：半导体电力开关器件及其组成的电力开关电路，包括利用半导体集成电路和微处理器芯片构成信号处理和控制系统。电力电子技术的发展和应用主要依赖于半导体电力开关器件。1.2 为什么三相交流发电机或公用电网产生的恒频、恒压交流电，经电压、频率变换后再供负载使用，有可能获得

3、更大的技术经济效益？答：用电设备的类型、功能千差万别，对电能的电压、频率、波形要求各不相同。为了满足一定的生产工艺和流程的要求，确保产品质量、提高劳动生产率、降低能源消耗、提高经济效益，若能将电网产生的恒频、恒压交流电变换成为用电负载的最佳工况所需要的电压、频率或波形，有可能获得更大的技术经济效益。例如：若风机、水泵全部采用变频调速技术，每年全国可以节省几千万吨以上的煤，或者可以少兴建上千万千瓦的发电站。若采用高频电力变换器对荧光灯供电，不仅电-光转换效率进一步提高、光质显著改善、灯管寿命延长35倍、可节电50%，而且其重量仅为工频电感式镇流器的10%。高频变压器重量、体积比工频变压器小得多，

4、可以大大减小钢、铜的消耗量。特别在调速领域，与古老的变流机组相比，在钢铜材消耗量、重量、体积、维护、效率、噪音、控制精度和响应速度等方面优势明显。1.3 开关型电力电子变换有哪四种基本类型？答：有如下四种电力变换电路或电力变换器，如图所示：(1) 交流（A.C）直流（D.C）整流电路或整流器；(2) 直流（D.C）交流（A.C）逆变电路或逆变器；(3) 直流（D.C）直流（D.C）电压变换电路，又叫直流斩波电路、直流斩波器； (4) 交流（A.C）交流（A.C）电压和/或频率变换电路：仅改变电压的称为交流电压变换器或交流斩波器，频率、电压均改变的称为直接变频器。1.4 图1.6(a)所示的开关

5、电路实现DC/AC逆变变换的基本原理是什么？从开关电路的输出端C、D能否直接获得理想的正弦基波电压？直流电源输出到开关电路输入端A、B的直流电流是否为无脉动连续的直流电流？答：（1） DC/AC逆变电路的可以采用三种控制方案：A、180方波；B、小于180单脉冲方波；C、PWM控制。基本原理分别如下：A、 180方波。当要求输出交流电的频率为时，在半周期内使S1、S4导通，S2、S3阻断，则逆变电路输出电压；令随后的时间内S2、S3导通，S1、S4阻断，则逆变电路输出电压为负的电源电压（）。因此是频率为、幅值为的交流方波电压，如图1.6(b)所示。对进行傅立叶分解，得到其基波电压有效值为，大小

6、取决于直流电源的电压；基波角频率，取决于开关的工作频率。其中含有大量的高次谐波经滤去后，负载可获得正弦交流基波电压。B、 小于180单脉冲方波。类似180方波控制，但是仅在半周的一部分时间内让相应的开关导通，则将是导电时间小于T/2，导电宽度角小于的矩形波，如图1.6(c)所示进行傅立叶分解，得到基波电压有效值为 或 。显然，控制导通时间可以控制输出电压基波大小，而输出电压的频率f仍取决于开关工作频率。C、 若采用高频开关PWM控制策略，则交流输出电压为图1.6(d)所示的脉冲宽度调制（PWM）的交流电压，输出电压波形更接近正弦波且其中谐波电压的频率较高，只需要很小的滤波就可得到正弦化的交流电

7、压。其性能远优于单脉波的方波逆变方案。（2） 不能直接获得理想的正弦基波电压。（3） 是有脉动非连续的直流电流，正因为这样，所以在直流侧串联了滤波器。1.5 开关型电力电子变换器有那些基本特性？答：（1） 变换器的核心是一组开关电路，开关电路输出端电压和开关电路输入端电流都不可能是理想的直流或无畸变的正弦基波交流，含有高次谐波。（2） 要改善变换电路的输出电压和输入电流的波形，可以在其输出、输入端附加LC滤波电路；但是最有效方法是采用高频PWM控制技术。（3） 电力电子变换器工作时，开关器件不断进行周期性通、断状态的依序转换，为使输出电压接近理想的直流或正弦交流，一般应对称地安排一个周期中不同

8、的开关状态及持续时间。因此对其工作特性的常用分析方法或工具是：开关周期平均值（状态空间平均法）和傅立叶级数。1.6 开关型电力变换器有哪两类应用领域？说明开关型电力电子补偿控制器能输出指令所要求的任意频率、波形的电压、电流的基本原理。答：（1）开关型电力变换器按功能可分为两大应用领域：A、开关型电力电子变换电源或简称开关电源。由半导体开关电路将输入电源变换为另一种电源给负载供电。这一类应用现在已经十分广泛。B、 开关型电力电子补偿控制器。它又分为两种类型：电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器和阻抗补偿控制器。它们或向电网输出所要求的补偿电压或电流，或改变并联接入、串联接入交流电网的等效阻

9、抗，从而改善电力系统的运行特性和运行经济性。这类应用将导致电力系统的革命并推动电力电子技术的继续发展。（2）开关型电力电子补偿控制器能输出指令所要求的任意频率、波形的电压、电流的基本原理如下：图1.10(a)电路中，周期性的控制四个开关管的通、断状态，在一个开关周期中，可输出图1.10（b）所示的PWM矩形波电压，在期间电压，在期间。在一个周期时期中，的平均值为，即图中矩形波电压。若开关管通、断状态转换的开关频率很高，即周期很小，则实际输出脉宽为，幅值为的电压与脉宽为，幅值为平均值电压都是历时很短的脉冲电压。采样控制理论中的脉冲量等效原理是：两个波形不同的窄脉冲电压、，只要在同一时期中，其脉冲

10、量积分值相等，则它们作用于同一个惯性系统，如电路时的响应是等效的，因此开关电路在整个开关周期时期中输出的可等效为幅值为，历时的电压瞬时值。如果要求开关电路输出图1.10（c）中所示波形的指令电压，即在瞬间指令电压为，则在以点为中心的一个开关周期中，控制开关管的通、断状态及其导通、关断时间，使占空比，使平均电压，即周期中的占空比，以此控制图1.10（a）中的通断状态，使，即可使输出电压跟踪任意频率、波形、相位的指令电压值。采用图1.10（a）所示开关型变流器也能向电网输出任意波形的指令电流。为此，原理上只要在控制系统中设置一个电流闭环控制环节，实时检测输出电流并与指令值相比较，将差值经电流调节器

11、输出一个控制电压，调控占空比，当时，控制电压增大，使增大，导致加大，加大，使跟踪，达到。反之，当时，控制电压减小，使占空比减小，减小，减小，跟踪指令值，达到。因此，只要根据指令电流的正、负数值，实时、适式地调控各开关管的通、断状态及相应的占空比值，就可使开关电路输出指令所要求的任意频率、波形、相位的电流。第2章 复习题及思考题解答2.1 说明半导体PN结单向导电的基本原理和静态伏-安特性。答：PN结半导体二极管在正向电压接法下（简称正偏），外加电压所产生的外电场与内电场方向相反，因此PN结的内电场被削弱。内电场所引起的多数载流子的漂移运动被削弱，多数载流子的扩散运动的阻力减小了，扩散运动超过了

12、反方向的漂移运动。大量的多数载流子能不断地扩散越过交界面，P区带正电的空穴向N区扩散，N区带负电的电子向P区扩散。这些载流子在正向电压作用下形成二极管正向电流。二极管导电时，其PN结等效正向电阻很小，管子两端正向电压降仅约1V左右（大电流硅半导体电力二极管超过1V，小电流硅二极管仅0.7V，锗二极管约0.3V）。这时的二极管在电路中相当于一个处于导通状态（通态）的开关。PN结半导体二极管在反向电压接法下（简称反偏）外加电压所产生的外电场与原内电场方向相同。因此外电场使原内电场进一步增强。多数载流子（P区的空穴和N区的电子）的扩散运动更难于进行。这时只有受光、热激发而产生的少数载流子（P区的少数

13、载流子电子和N区的少数载流子空穴）在电场力的作用下产生漂移运动。因此反偏时二极管电流极小。在一定的温度下，二极管反向电流在一定的反向电压范围内不随反向电压的升高而增大，为反向饱和电流。因此半导体PN结呈现出单向导电性。其静态伏安特性曲线如左图曲线所示。但实际二极管静态伏安特性为左图的曲线。二极管正向导电时必须外加电压超过一定的门坎电压（又称死区电压），当外加电压小于死区电压时，外电场还不足以削弱PN结内电场，因此正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V，锗二极管约为0.2V，当外加电压大于后内电场被大大削弱，电流才会迅速上升。二极管外加反向电压时仅在当外加反向电压不超过某一临界击穿电压

14、值时才会使反向电流保持为反向饱和电流。实际二极管的反向饱和电流是很小的。但是当外加反向电压超过后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。 2.2 说明二极管的反向恢复特性。答：由于PN结间存在结电容C，二极管从导通状态（C很大存储电荷多）转到截止阻断状态时，PN结电容存储的电荷并不能立即消失，二极管电压仍为12V，二极管仍然具有导电性，在反向电压作用下，反向电流从零增加到最大值，反向电流使存储电荷逐渐消失，二极管两端电压降为零。这时二极管才恢复反向阻断电压的能力而处于截止状态，然后在反向电压作用下，仅流过很小的反向饱和电流。因此，二极管正向导电电流为零后它并不能立即具有阻断反向电压的能力，必须再经历

15、一段反向恢复时间后才能恢复其阻断反向电压的能力。2.3 说明半导体电力三极管BJT处于通态、断态的条件。答：电力三极管BJT处于通态的条件是：注入三极管基极的电流大于基极饱和电流（已知三极管的电流放大系数，有）。这时三极管、导电性很强而处于最小等效电阻、饱和导电状态，可以看作是一个闭合的开关。BJT处于断态的条件是：基极电流为零或是施加负基极电流，即。这时BJT的等效电阻近似为无限大而处于断态。2.4 电力晶体管BJT的四个电压值、和的定义是什么？其大小关系如何？答：、和分别为不同基极状态下的三极管集-射极击穿电压值： 定义为基极反偏时，三极管集-射极电压击穿值；为基极短接、基极电压为0时，三

16、极管集-射极电压击穿值；为基极接有电阻短路时的集-射极击穿电压值要；为基极开路时集-射极击穿电压值。其大小关系为：。2.5 说明晶闸管的基本工作原理。在哪些情况下，晶闸管可以从断态转变为通态？已处于通态的晶闸管，撤除其驱动电流为什么不能关断，怎样才能关断晶闸管？答：基本工作原理：见课本p36-37；应回答出承受正向压、门极加驱动电流时的管子内部的正反馈过程，使不断增大，最后使，很大，晶闸管变成通态；撤去门极电流后由于，仍可使很大，保持通态。有多种办法可以使晶闸管从断态转变成通态。常用的办法是门极触发导通和光注入导通。另外正向过电压、高温、高的都可能使晶闸管导通，但这是非正常导通情况。要使晶闸管

17、转入断态，应设法使其阳极电流减小到小于维持电流，通常采用使其阳极A与阴极K之间的电压为零或反向。2.6 直流电源电压220V，经晶闸管T对负载供电。负载电阻20，电感=1H，晶闸管擎住电流=55mA，维持电流=22mA，用一个方波脉冲电流触发晶闸管。试计算： 如果负载电阻20，触发脉冲的宽度为300s，可否使晶闸管可靠地开通？ 如果晶闸管已处于通态，在电路中增加一个1K的电阻能否使晶闸管从通态转入断态？ 为什么晶闸管的擎住电流比维持电流大？答：(1) 设晶闸管开通：，由此可解出：当时，所以可以使晶闸管可靠导通。(2) 加入1K电阻后，有，不能使晶闸管由通态转入断态。(3) 为什么晶闸管的擎住电

18、流比维持电流大：擎住电流和维持电流都是在撤去门极驱动电流的条件下定义的，因此阳极电流。但维持电流是在通态时考虑的，此时管子已工作在较大电流状态下，管内结温较高，此时的PN结漏电流Io随结温增大，导通能力强，因此必须要降低才能关断晶闸管；而擎住电流是在断态向通态变化时定义的，开始有驱动信号但未完全导通时，晶闸管工作时间短，结温低，PN结漏电流Io不大，导通能力弱，需要较大的阳极电流才能使管子开通。2.7 额定电流为10A的晶闸管能否承受长期通过15A的直流负载电流而不过热？答：额定电流为10A的晶闸管能够承受长期通过15A的直流负载电流而不过热。因为晶闸管的额定电流是定义的：在环境温度为40和规

19、定的散热冷却条件下，晶闸管在电阻性负载的单相、工频正弦半波导电、结温稳定在额定值125时，所对应的通态平均电流值。这就意味着晶闸管可以通过任意波形、有效值为1.57的电流，其发热温升正好是允许值，而恒定直流电的平均值与有效值相等，故额定电流为10A的晶闸管通过15.7A的直流负载电流，其发热温升正好是允许值。2.8 说明GTO的关断原理。答：在GTO的设计制造时，等效晶体管T2的集电极电流分配系数a2较大。当GTO处于通态时，突加一个负触发电流-Ig，使a2减小， 1-a2变大，急剧减小，就是阳极电流急剧减小，又导致电流分配系数a2和a1减小，使急剧减小，又使、减小。在这种循环不已的正反馈作用

20、下，最终导致GTO阳极电流减小到维持电流以下，GTO从通态转入断态。2.9 说明PMOSFET栅极电压控制漏极电流的基本原理。答：当右图中P-MOSFET漏源极间电压为零、栅源极之间电压也为零时，N型半导体与P型半导体之间要形成PN结空间电荷区（耗尽层）阻挡层，此时G-S之间和D-S之间都是绝缘的。当漏极D与源极S之间有外加电压时，如果栅极、源极外加电压=0，由于漏极D(N1)与源极S(N2)之间是两个背靠背的PN结(PN1、PN2)，无论是正向电压还是负电压，都有一个PN结反偏，故漏源极之间也不可能导电。当栅、源极之间外加正向电压0时，在G-P之间形成电场，在电场力的作用下P区的电子移近G极

21、，或者说栅极G的正电位吸引P区的电子至邻近栅极的一侧，当增大到超过某一值值时，N1和N2中间地区靠近G极处被G极正电位所吸引的电子数超过该处的空穴数以后，栅极下面原空穴多的P型半导体表面就变成电子数目多的N型半导体表层，栅极下由栅极正电位所形成的这个N型半导体表层感生了大量的电子载流子，形成一个电子浓度很高的沟道（称为N沟道），这个沟道将N1和N2两个N区联在一起，又使N1P这个被反偏的PN结J1消失，成为漏极D和源极S之间的导电沟道，一旦漏源之间也有正向电压，就会形成漏极电流。在=0时，不能产生电流，=0，仅在增大到=以后，才使G-P之间的外电场增强，形成自由电子导电沟道，才能产生漏极电流，

22、这种改变栅极G和源极S之间外加电压，即可控制漏极电流的作用称为电导调制效应。2.10 作为开关使用时PMOSFET器件主要的优缺点是什么？答：作为开关使用时，PMOSFET器件的优点是：输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高；其缺点是：通态压降大（通态损耗大），电压、电流定额低。2.11 列表比较BJT、SCR、GTO、PMOSFET、IGBT、MCT六种可控开关器件对触发（或驱动）电流（或电压）波形的要求，及主要优缺点。答：表 BJT SCR GTO P MOSFET IGBT MCT 的对比器 件对触发信号波形的要求开关频率单极或双极主要优点主要缺点BJT（电流型全控器件）正持续

23、基极电流控制开通；基极电流为0则关断中双极通态压降小，通态损耗小驱动功率大；频率低SCR（电流型半控器件）正脉冲门极电流控制开通；触发信号不能控制关断低双极通态压降小，通态损耗小驱动功率大，频率低GTO（电流型全控器件）正脉冲门极电流控制开通；负脉冲门极电流（较大）控制关断低双极通态压降小，通态损耗小驱动功率大，频率低P MOSFET（电压型全控器件）正持续栅极电压控制开通；负持续栅极电压控制并保持关断高单极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高通态压降大（通态损耗大）电压、电流定额低IGBT（电压型全控器件）正持续栅极电压控制开通；负持续栅极电压控制并保持关断较高双极输入阻抗高，驱

24、动功率小，驱动电路简单，工作频率高通态压降大（通态损耗大）MCT（电压型全控器件）正脉冲电压控制开通；负脉冲电压控制关断较高（低于IGBT)双极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高通态压降大（通态损耗大）2.12 21世纪电力电子开关器件最可能的重大技术发展是什么？答：21世纪电力电子开关器件最可能的重大技术发展是将半导体电力开关器件与其驱动、缓冲、监测、控制和保护等所有硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。PIC器件把电力电子变换和控制系统中尽可能多的硬件以芯片的形式封装在一个模块内，使之不再有额外的引线联接，不仅极大地方便了使用，而且能大大降低系统成本，减轻重量，缩小体积，

25、把寄生电感减小到几乎为零，大大提高电力电子变换和控制的可靠性，PIC实现了电能与信息的集成，如果能妥善解决PIC内部的散热、隔离等技术难题，今后PIC将使电力电子技术发生革命性的变革。第3章 复习题及思考题解答3.1 直流直流电压变换中开关器件的占空比是什么？推证图3.1(c)所示脉宽时间为、脉宽角度为、周期为、幅值为的方波脉冲电压的直流平均值及各次谐波的幅值。图3.1 Buck变换器电路结构及降压答：占空比是开关管导通时间与开关周期的比值。图3.1(c)中方波脉冲电压可以表示为如下傅立叶表达式：其中常数项为直流平均值，即 ；各余弦项为各次谐波，其幅值为： 。3.2 脉冲宽度调制PWM和脉冲频

26、率调制PFM的优缺点是什么？答：脉冲宽度调制方式PWM，保持不变（开关频率不变），改变调控输出电压。脉冲频率调制方式PFM。保持不变，改变开关频率或周期调控输出电压。实际应用中广泛采用PWM方式。因为采用定频PWM开关时，输出电压中谐波的频率固定，滤波器设计容易，开关过程所产生电磁干扰容易控制。此外由控制系统获得可变脉宽信号比获得可变频率信号容易实现。但是在谐振软开关变换器中为了保证谐振过程的完成，采用PFM控制较容易实现。3.3 Buck变换器中电感电流的脉动和输出电压的脉动与哪些因数有关，试从物理上给以解释。答：电感电流的脉动量与电感量、开关频率、输入电压、输出电压有关，输出电压的脉动量与

27、电感量、电容量、开关频率、输出电压有关。电感量、电容量越大其滤波效果越好，而开关频率越高，滤波电感的交流阻抗就很大，它对直流电压的阻抗基本为0，同时滤波电容的交流阻抗很小。3.4 Buck变换器断流工况下的变压比与哪些因数有关，试从物理上给以解释。答：Buck变换器在电流断续工况下其变压比不仅与占空比有关，还与负载电流的大小、电感、开关频率以及电压等有关。3.5 图3.2(a)、3.5(a)电路稳态时在一个开关周期中，电感电流的增量，电感的磁通增量是否为零，为什么？电容的电流平均值为零，电容端电压的增量是否为零，为什么？答：电路处于稳态时，在一个开关周期内电感电流的增量，同时电感的磁通增量，因

28、为如果一个周期内电感的磁通增量，那么电感上的磁通将无法复位，也即电感上的能量不断累积，最终将达到饱和，甚至烧毁电感，所以稳态工作时应使一个开关周期内电感的磁通增量。电容的电流平均值为0，那么电容端电压的增量也为0，因为稳态时一个周期内电容上的充电电荷等于放电电荷，即电容上电荷增量，而电容端电压增量，故电容端电压的增量也为0。3.6 Buck变换器中电流临界连续是什么意思？当负载电压、电流一定时在什么条件下可以避免电感电流断流?答：Buck变换器中电感电流临界连续是指处于电感电流连续和电感电流断流两种工况的临界点的工作状态。这时在开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。当负载电压、电流一定时增大

29、电感量和提高开关频率都可以避免电感电流断流。3.7 开关电路实现直流升压变换的基本原理是什么？答：为了获得高于电源电压的直流输出电压，一个简单而有效的办法是在变换器开关管前端插入一个电感L，如右图所示。在开关管T关断时，利用图中电感线圈在其电流减小时所产生的反电势(在电感电流减小时，为正值)，将此电感反电势与电源电压串联相加送至负载，则负载就可获得高于电源电压的直流电压，从而实现直流升压变换。3.8 Boost变换器为什么不宜在占空比接近1的情况下工作？答：因为在Boost变换器中，开关管导通时，电源与负载脱离，其能量全部储存在电感中，当开关管关断时，能量才从电感中释放到负载。如果占空比接近于

30、1，那么开关接近于全导通状态，几乎没有关断时间，那么电感在开关管导通期间储存的能量没有时间释放，将造成电感饱和，直至烧毁。因此Boost变换器不宜在占空比接近1的情况下工作。同时，从Boost变换器在电感电流连续工况时的变压比表达式也可以看出，当占空比接近1时，变压比接近于无穷大，这显然与实际不符，将造成电路无法正常工作。3.9 升压降压变换器（Cuk变换器）的工作原理及主要优点是什么？答： Cuk变换器在一个开关周期中，期间，令开关管T导通，这时电源经电感L1和T短路，L1电流线性增加，电源将电能变为电感L1储能，与此同时电容C1经T对C2及负载放电，并使电感L2电流增大而储能。在随后的期间

31、，开关管T阻断，电感L1电流经电容C1及二极管D续流，此时，电感L2也经D续流，L2的磁能转化为电能对负载供电。Cuk变换器的优点是仅用一个开关管使电路同时具有升、降压功能；而且该变换器输入输出电流脉动小。3.10 如何理解Cuk变换器中间电容电压等于电源电压与负载电压之和，即？答：电感电压，稳态运行时，一个开关周期中电感、电流增量为零，磁链增量为零，电感两端电压的直流平均值为零。因此Cuk电路拓扑结构图可直接得到直流平均电压。3.11 直流直流四象限变换器的四象限指的是什么？直流电机四象限运行中的四象限指的是什么？这两种四象限有什么对应关系？答：直流直流四象限变换器的四象限指的是变换器的输出电压、输出电流均可正可负的四种组合。直流电机四象限运行中的四象限指的是电机的转速和电磁转矩可正可负的四种组合。对于电机的转速有： 对于电机的电磁转矩Te： 在励磁电流不变、磁通不变时电机的转速、电磁转矩大小和方向由VAB、IAB决定。通过改变VAB的大小及IAB的大小和方向，调控电机在正方向下旋转时的转速及电磁转矩Te的大小和方向，既可使直流电机在电动机状态下变速运行亦可在发电