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'《电力电子技术》(专科第二版)习题解答第1章思考题与习题1.1晶闸管的导通条件是什么?导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定?答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压UA决定。1.2晶闸管的关断条件是什么?　如何实现?　晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流IA减小，IA下降到维持电流IH以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压UA决定。1.3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流IH会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。1.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？答：非正常导通方式有：(1)Ig=0，阳极电压升高至相当高的数值；(1)阳极电压上升率du/dt过高；(3)结温过高。1.5请简述晶闸管的关断时间定义。答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即。1.6试说明晶闸管有哪些派生器件？答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。1.7请简述光控晶闸管的有关特征。答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。主要用于高压大功率场合。1.8型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管，使用在图题1.832 所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)图题1.8答：（a）因为，所以不合理。(b)因为,KP100的电流额定值为100Ａ，裕量达５倍，太大了。（c）因为，大于额定值，所以不合理。1.9图题1.9中实线部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为Im，试计算各图的电流平均值．电流有效值和波形系数。图题1．9解：图(a)：IT(AV)==IT==Kf==1.57图(b)：IT(AV)==Im32 IT==Kf==1.11图(c)：IT(AV)==ImIT==ImKf==1.26图(d)：IT(AV)==ImIT==ImKf==1.78图(e)：IT(AV)==IT==Kf==2.83图(f)：IT(AV)==IT==Kf==21.10上题中，如不考虑安全裕量，问额定电流100A的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少?32 解：(a)图波形系数为1.57，则有：1.57=1.57100A,IT(AV)=100A(b)图波形系数为1.11，则有：1.11=1.57100A,IT(AV)=141.4A(c)图波形系数为1.26，则有：1.26=1.57100A,IT(AV)=124.6A(d)图波形系数为1.78，则有：1.78=1.57100A,IT(AV)=88.2A(e)图波形系数为2.83，则有：2.83=1.57100A,IT(AV)=55.5A(f)图波形系数为2，则有：2=1.57100A,IT(AV)=78.5A1.11某晶闸管型号规格为KP200-8D，试问型号规格代表什么意义?解：KP代表普通型晶闸管，200代表其晶闸管的额定电流为200A，8代表晶闸管的正反向峰值电压为800V，D代表通态平均压降为。1.12如图题1.12所示，试画出负载Rd上的电压波形(不考虑管子的导通压降)。图题1.12解：其波形如下图所示：1.13在图题1.1332 中，若要使用单次脉冲触发晶闸管T导通，门极触发信号（触发电压为脉冲）的宽度最小应为多少微秒（设晶闸管的擎住电流IL=15mA）？图题1.13解：由题意可得晶闸管导通时的回路方程：可解得，==1要维维持持晶闸管导通，必须在擎住电流IL以上，即，所以脉冲宽度必须大于150µs。1.14单相正弦交流电源，晶闸管和负载电阻串联如图题1.14所示，交流电源电压有效值为220V。(1)考虑安全余量，应如何选取晶闸管的额定电压？(2)若当电流的波形系数为Kf=2.22时，通过晶闸管的有效电流为100A，考虑晶闸管的安全余量，应如何选择晶闸管的额定电流？图题1.14解：（1）考虑安全余量,取实际工作电压的2倍UT=2202622V,取600V（2）因为Kf=2.22,取两倍的裕量，则：2IT(AV)32 得：IT(AV)=111(A)取100A。1.15什么叫GTR的一次击穿?什么叫GTR的二次击穿?答：处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE渐增大电压定额BUCEO时，集电极电流IC急剧增大（雪崩击穿），但此时集电极的电压基本保持不变，这叫一次击穿。发生一次击穿时，如果继续增大UCE，又不限制IC，IC上升到临界值时，UCE突然下降，而IC继续增大（负载效应），这个现象称为二次击穿。1.16怎样确定GTR的安全工作区SOA?答：安全工作区是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。按基极偏量分类可分为：正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。正偏工作区又叫开通工作区，它是基极正向偏量条件下由GTR的最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB，ICM，BUCEO四条限制线所围成的区域。反偏安全工作区又称为GTR的关断安全工作区，它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE，电流IC限制界线所围成的区域。1.17GTR对基极驱动电路的要求是什么？答：要求如下：（1）提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断，（2）实现主电路与控制电路隔离，（3）自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号避免损坏GTR。（4）电路尽可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。1.18在大功率GTR组成的开关电路中为什么要加缓冲电路?答：缓冲电路可以使GTR在开通中的集电极电流缓升，关断中的集电极电压缓升，避免了GTR同时承受高电压、大电流。另一方面，缓冲电路也可以使GTR的集电极电压变化率和集电极电流变化率得到有效值抑制，减小开关损耗和防止高压击穿和硅片局部过热熔通而损坏GTR。1.19与GTR相比功率MOS管有何优缺点?答：GTR是电流型器件，功率MOS是电压型器件，与GTR相比，功率MOS管的工作速度快，开关频率高，驱动功率小且驱动电路简单，无二次击穿问题，安全工作区宽，并且输入阻抗可达几十兆欧。但功率MOS的缺点有：电流容量低，承受反向电压小。1.20从结构上讲，功率MOS管与VDMOS管有何区别?32 答：功率MOS采用水平结构，器件的源极S，栅极G和漏极D均被置于硅片的一侧，通态电阻大，性能差，硅片利用率低。VDMOS采用二次扩散形式的P形区的N+型区在硅片表面的结深之差来形成极短的、可精确控制的沟道长度（1~3）、制成垂直导电结构可以直接装漏极、电流容量大、集成度高。1.21试说明VDMOS的安全工作区。答：VDMOS的安全工作区分为：（1）正向偏置安全工作区，由漏电源通态电阻限制线，最大漏极电流限制线，最大功耗限制线，最大漏源电压限制线构成。（2）开关安全工作区：由最大峰值漏极电流ICM，最大漏源击穿电压BUDS最高结温IJM所决定。（3）换向安全工作区：换向速度一定时，由漏极正向电压UDS和二极管的正向电流的安全运行极限值IFM决定。1.22试简述功率场效应管在应用中的注意事项。答：（1）过电流保护，（2）过电压保护，（3）过热保护，（4）防静电。1.23与GTR、VDMOS相比，IGBT管有何特点?答：IGBT的开关速度快，其开关时间是同容量GTR的1/10，IGBT电流容量大，是同容量MOS的10倍；与VDMOS、GTR相比，IGBT的耐压可以做得很高，最大允许电压UCEM可达4500V，IGBT的最高允许结温TJM为150℃，而且IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性；通态压降是同一耐压规格VDMOS的1/10，输入阻抗与MOS同。1.24下表给出了1200V和不同等级电流容量IGBT管的栅极电阻推荐值。试说明为什么随着电流容量的增大，栅极电阻值相应减小？电流容量／A255075100150200300栅极电阻／Ω502515128.253.3答：对一定值的集电极电流，栅极电阻增大栅极电路的时间常数相应增大，关断时栅压下降到关断门限电压的时间变长，于是IGBT的关断损耗增大。因此，随着电流容量的增大，为了减小关断损耗，栅极电阻值相应减小。应当注意的是，太小的栅极电阻会使关断过程电压变化加剧，在损耗允许的情况下，栅极电阻不使用宜太小。1.25在SCR、GTR、IGBT、GTO、MOSFET、IGCT及MCT器件中，哪些器件可以承受反向电压？哪些可以用作静态交流开关？答：SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT都可承受反向电压。SCR可以用作静态开关。1.26试说明有关功率MOSFET驱动电路的特点。答：功率MOSFET驱动电路的特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。32 1.27试述静电感应晶体管SIT的结构特点。答：SIT采用垂直导电结构，沟道短而宽，适合于高电压，大电流的场合，其漏极电流具有负温度系数，可避免因温度升高而引起的恶性循环漏极电流通路上不存在PN结，一般不会发生热不稳定性和二次击穿现象，其安全工作区范围较宽,关断它需加10V的负栅极偏压UGS,使其导通，可以加5~6V的正栅偏压+UGS，以降低器件的通态压降。1.28试述静电感应晶闸管SITH的结构特点。答：其结构在SIT的结构上再增加一个P+层形成了无胞结构。SITH的电导调制作用使它比SIT的通态电阻小，通态压降低，通态电流大，但因器件内有大量的存储电荷，其关断时间比SIT要慢，工作频率低。1.29试述MOS控制晶闸管MCT的特点和使用范围。答：MCT具有高电压，大电流，高载流密度，低通态压的特点，其通态压降只有ＧＴＲ的１／３左右，硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的，另外，ＭＣＴ可承受极高的di/dt和du/dt。使得其保护电路简化，ＭＣＴ的开关速度超过ＧＴＲ，且开关损耗也小。1.30缓冲电路的作用是什么？关断缓冲与开通缓冲在电路形式上有何区别，各自的功能是什么？答：缓冲电路的作用是抑制电力电子器件的内因过电压du/dt或者过电流di/dt,减少器件的开关损耗。缓冲电路分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路是对du/dt抑制的电路，用于抑制器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路是对di/dt抑制的电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。第2章思考题与习题2.1什么是整流？它与逆变有何区别？答：整流就是把交流电能转换成直流电能，而将直流转换为交流电能称为逆变，它是对应于整流的逆向过程。2.2单相半波可控整流电路中，如果：(1)晶闸管门极不加触发脉冲；(2)晶闸管内部短路；(3)晶闸管内部断开；试分析上述三种情况负载两端电压ud和晶闸管两端电压uT的波形。答：（1）负载两端电压为0，晶闸管上电压波形与U2相同；32 （2）负载两端电压为U2，晶闸管上的电压为0；（3）负载两端电压为0，晶闸管上的电压为U2。2.3某单相全控桥式整流电路给电阻性负载和大电感负载供电，在流过负载电流平均值相同的情况下，哪一种负载的晶闸管额定电流应选择大一些?答：带大电感负载的晶闸管额定电流应选择小一些。由于具有电感，当其电流增大时，在电感上会产生感应电动势，抑制电流增加。电阻性负载时整流输出电流的峰值大些，在流过负载电流平均值相同的情况下，为防此时管子烧坏，应选择额定电流大一些的管子。2.4某电阻性负载的单相半控桥式整流电路，若其中一只晶闸管的阳、阴极之间被烧断，试画出整流二极管、晶闸管两端和负载电阻两端的电压波形。解：设α=0，T2被烧坏，如下图：2.5相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的Ud与Id的乘积是否等于负载有功功率，为什么?带大电感负载时，负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积是否等于负载有功功率，为什么?答：相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的平均功率不等于负载有功功率。因为负载上的电压、电流是非正弦波，除了直流Ud与Id外还有谐波分量和32 ，负载上有功功率为>。相控整流电路带大电感负载时，虽然Ud存在谐波，但电流是恒定的直流，故负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积等于负载有功功率。2.6某电阻性负载要求0~24V直流电压，最大负载电流Id=30A，如采用由220V交流直接供电和由变压器降压到60V供电的单相半波相控整流电路，是否两种方案都能满足要求?试比较两种供电方案的晶闸管的导通角、额定电压、额定电流、电路的功率因数及对电源容量的要求。解：采用由220V交流直接供电当时：Udo=0.45U2=0.45220=99V由变压器降压到60V供电当时：Ud=0.45U2=0.4560=27V因此，只要调节都可以满足输出0~24V直流电压要求。(1)采用由220V交流直接供电时：，Ud==24V时　　取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为622V和108A。电源提供有功功率电源提供视在功率电源侧功率因数(2)采用变压器降压到60V供电：32 ，Ud==24V时　　,取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为168.8V和65.4A。变压器二次侧有功功率变压器二次侧视在功率电源侧功率因数2.7某电阻性负载，Rd=50Ω,要求Ud在0~600V可调，试用单相半波和单相全控桥两种整流电路来供给，分别计算：(1)晶闸管额定电压、电流值；(2)连接负载的导线截面积(导线允许电流密度j=6A／mm2)；(3)负载电阻上消耗的最大功率。解：（1）单相半波时,,晶闸管的最大电流有效值晶闸管额定电流为IT(AV)12(A)晶闸管承受最大电压为=1885V取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和30A。所选导线截面积为32 负载电阻上最大功率（2）单相全控桥时,,负载电流有效值(Kf=1.11)晶闸管的额定电流为IT(AV)6(A)IT=晶闸管承受最大电压为=1885V取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和20A。所选导线截面积为负载电阻上最大功率2.8整流变压器二次侧中间抽头的双半波相控整流电路如图题2.8所示。(1)说明整流变压器有无直流磁化问题?(2)分别画出电阻性负载和大电感负载在α=60°时的输出电压Ud、电流id的波形，比较与单相全控桥式整流电路是否相同。若已知U2=220V，分别计算其输出直流电压值Ud。（3）画出电阻性负载α=60°时晶闸管两端的电压uT波形，说明该电路晶闸管承受的最大反向电压为多少?图题2.8解：（1）因为在一个周期内变压器磁通增量为零，所以没有直流磁化。（2）其波形如下图所示，与单相全控桥式整流电路相同。电阻性负载：感性负载：(3)其波形如下图所示，晶闸管承受的最大反向电压为。32 2.9带电阻性负载三相半波相控整流电路，如触发脉冲左移到自然换流点之前15°处，分析电路工作情况，画出触发脉冲宽度分别为10°和20°时负载两端的电压ud波形。解：三相半波相控整流电路触发脉冲的的最早触发时刻在自然换流点，如触发脉冲左移到自然换流点之前15°处，触发脉冲宽度为10°时，不能触发晶闸管，ud=0。触发脉冲宽度为15°时，能触发晶闸管，其波形图相当于α=0°时的波形。2.10三相半波相控整流电路带大电感负载，Rd=10Ω，相电压有效值U2=220V。求α=45°时负载直流电压Ud、流过晶闸管的平均电流IdT和有效电流IT，画出ud、iT2、uT3的波形。解：1.17因为：220V，Ud=1.17=182Vud、iT2、uT3波形图如下所示：32 2.11在图题2.11所示电路中，当α=60°时，画出下列故障情况下的ud波形。(1)熔断器1FU熔断。(2)熔断器2FU熔断。(3)熔断器2FU、3FU同时熔断。图题2.11解：这三种情况下的波形图如下所示：(a)(b)32 (c)2.12现有单相半波、单相桥式、三相半波三种整流电路带电阻性负载，负载电流Id都是40A，问流过与晶闸管串联的熔断器的平均电流、有效电流各为多大?解：设单相半波：IdT=Id=40A(Kf=1.57)单相桥式：IdT=Id=20A三相半波：IdT=Id=13.3A当时Ud=1.17UU=Ud/1.17时2.13三相全控桥式整流电路带大电感负载，负载电阻Rd=4Ω，要求Ud从0~220V之间变化。试求：(1)不考虑控制角裕量时，整流变压器二次线电压。(2)计算晶闸管电压、电流值，如电压、电流取2倍裕量，选择晶闸管型号。解：（1）因为Ud=2.34U；不考虑控制角裕量，时32 （2）晶闸管承受最大电压为取2倍的裕量,URM=460.6V晶闸管承受的平均电流为IdT=Id又因为所以IdT=18.33A，取2倍的裕量IdTmax=36.67(A)选择KP50—5的晶闸管。2.14单结晶体管触发电路中，作为Ubb的削波稳压管两端如并接滤波电容，电路能否正常工作?如稳压管损坏断开，电路又会出现什么情况?答：在稳压管两端如并接滤波电容后，电路能否正常工作。如稳压管损坏断开，单结晶体管上峰值电压太高，不利于单结晶体管工作。2.15三相半波相控整流电路带电动机负载并串入足够大的电抗器，相电压有效值U2=220V，电动机负载电流为40A，负载回路总电阻为0.2Ω，求当α=60°时流过晶闸管的电流平均值与有效值、电动机的反电势。解：电流平均值为：IdT=Id=40/3=13.3电流有效值为：设电动机的反电势为ED，则回路方程为：而所以2.16三相全控桥电路带串联Ld的电动机负载，已知变压器二次电压为100V，变压器每相绕组折合到二次侧的漏感L1为100μH，负载电流为150A，求：(1)由于漏抗引起的换相压降；(2)该压降所对应整流装置的等效内阻及α=0°时的换相重叠角。32 解：(1)(2)等效内阻2.17晶闸管装置中不采用过电压、过电流保护，选用较高电压和电流等级的晶闸管行不行?答：晶闸管装置中必须采用过电压、过电流保护，而不能用高电压、高电流的晶闸管代替，因为在电感性负载装置中，晶闸管在开关断过程中，可能会出现过冲阳极电压，此时极易损坏晶闸管。当未采取过电流保护，而电路过载或短路时更易损坏晶闸管。2.18什么是有源逆变？有源逆变的条件是什么？有源逆变有何作用？答：如果将逆变电路交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电，反送到电网上去称为有源逆变。有源逆变的条件：（1）一定要有直流电动势，其极性必须与晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；（2）变流器必须工作在的区域内使Ud<0。有源逆变的作用：它可用于直流电机的可逆调速，绕线型异步电动机的串级调速，高压电流输电太阳能发电等方面。2.19无源逆变电路和有源逆变电路有何区别？答：有源逆变电路是把逆变电路的交流侧接到电网上，把直流电逆变成同频率的交流反送到电网去。无源逆变电路的交流侧直接接到负载，将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流供给负载。2.20有源逆变最小逆变角受哪些因素限制？为什么？答：最小有源逆变角受晶闸管的关断时间tq折合的电角度、换相重叠角以及安全裕量角的限制。如果不能满足这些因素的要求的话，将导致逆变失败。32 第3章思考题与习题3.1开关器件的开关损耗大小同哪些因素有关？答：开关损耗与开关的频率和变换电路的形态性能等因素有关。3.2试比较Buck电路和Boost电路的异同。答；相同点：Buck电路和Boost电路多以主控型电力电子器件（如GTO，GTR，VDMOS和IGBT等）作为开关器件，其开关频率高，变换效率也高。不同点：Buck电路在T关断时，只有电感L储存的能量提供给负载，实现降压变换，且输入电流是脉动的。而Boost电路在T处于通态时，电源Ud向电感L充电，同时电容C集结的能量提供给负载，而在T处于关断状态时，由L与电源E同时向负载提供能量，从而实现了升压，在连续工作状态下输入电流是连续的。3.3试简述Buck-Boost电路同Cuk电路的异同。答：这两种电路都有升降压变换功能，其输出电压与输入电压极性相反，而且两种电路的输入、输出关系式完全相同，Buck-Boost电路是在关断期内电感L给滤波电容C补充能量，输出电流脉动很大，而Cuk电路中接入了传送能量的耦合电容C1，若使C1足够大，输入输出电流都是平滑的，有效的降低了纹波，降低了对滤波电路的要求。3.4试说明直流斩波器主要有哪几种电路结构？试分析它们各有什么特点？答：直流斩波电路主要有降压斩波电路（Ｂuck），升压斩波电路（Ｂoost），升降压斩波电路（Ｂuck－Ｂoost）和库克（Ｃook）斩波电路。降压斩波电路是：一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路。它主要用于直流稳压电源和直流直流电机的调速。升压斩波电路是：输出电压的平均值高于输入电压的变换电路，它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。升降压变换电路是输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反。主要用于要求输出与输入电压反向，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。库克电路也属升降压型直流变换电路，但输入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对滤波器的要求。3.5试分析反激式和正激式变换器的工作原理。答：正激变换器：当开关管T导通时，它在高频变压器初级绕组中储存能量，同时将能量传递到次级绕组，根据变压器对应端的感应电压极性，二极管D1导通，此时D232 反向截止，把能量储存到电感L中，同时提供负载电流；当开关管T截止时，变压器次级绕组中的电压极性反转过来，使得续流二极管D2导通（而此时D1反向截止），储存在电感中的能量继续提供电流给负载。变换器的输出电压为：反激变换器：当开关管T导通，输入电压Ud便加到变压器TR初级N1上，变压器储存能量。根据变压器对应端的极性，可得次级N2中的感应电动势为下正上负，二极管D截止，次级N2中没有电流流过。当T截止时，N2中的感应电动势极性上正下负，二极管D导通。在T导通期间储存在变压器中的能量便通过二极管D向负载释放。在工作的过程中，变压器起储能电感的作用。输出电压为3.6试分析全桥式变换器的工作原理。答：当ug1和ug4为高电平，ug2和ug3为低电平，开关管T1和T4导通，T2和T3关断时，变压器建立磁化电流并向负载传递能量；当ug1和ug4为低电平，ug2和ug3为高电平，开关管T2和T3导通，T1和T4关断，在此期间变压器建立反向磁化电流，也向负载传递能量，这时磁芯工作在B－H回线的另一侧。在T1、T4导通期间(或T2和T3导通期间)，施加在初级绕组NP上的电压约等于输入电压Ud。与半桥电路相比，初级绕组上的电压增加了一倍，而每个开关管的耐压仍为输入电压。32 3.7有一开关频率为50kHz的Buck变换电路工作在电感电流连续的情况下，L=0.05mH，输入电压Ud=15V，输出电压U0=10V(1)求占空比D的大小；(2)求电感中电流的峰-峰值ΔI；(3)若允许输出电压的纹波ΔU0/U0=5%，求滤波电容C的最小值。解：（1），（2）(3)因为则µF3.8图题3.8所示的电路工作在电感电流连续的情况下，器件T的开关频率为100kHz，电路输入电压为交流220V，当RL两端的电压为400V时：(1)求占空比的大小；(2)当RL=40Ω时，求维持电感电流连续时的临界电感值；(3)若允许输出电压纹波系数为0.01，求滤波电容C的最小值。32 题图3.8解:（１）由题意可知：=0.45（２）＝（其中）（３）,3.9在Boost变换电路中，已知Ud=50V，L值和C值较大，R=20Ω，若采用脉宽调制方式，当Ts=40μs，ton=20μs时，计算输出电压平均值U0和输出电流平均值I0。解：＝由于Ｌ和Ｃ的值都比较大，3.10有一开关频率为50kHz的库克变换电路，假设输出端电容足够大，使输出电压保持恒定，并且元件的功率损耗可忽略，若输入电压Ud=10V，输出电压U0调节为5V不变。试求:(1)占空比；(2)电容器C1两端的电压Uc1；(3)开关管的导通时间和关断时间。解：(1)因为32 则(注意)(2)(3)第4章思考题与习题4.1什么是电压型和电流型逆变电路？各有何特点？答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。电压型逆变电路的主要特点是：（1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同，其波形接近于三角波或正弦波。（3）当交流侧为阻感性负载时，需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了二极管。（4）逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由交流电压来提供。（5）当用于交—直—交变频器中，负载为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交—直整流桥再反并联一套逆变桥。电流型逆变电路的主要特点是：（1）直流侧串联有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。（2）因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。（3）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。（4）当用于交—直—交变频器且负载为电动机时，若交—32 直变换为可控整流，则很方便地实现再生制动。4.2电压型逆变电路中的反馈二极管的作用是什么？答：在电压型逆变电路中，当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压与电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压与电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。4.3为什么在电流型逆变电路的可控器件上要串联二极管？解：由于全电路开关管采用自关断器件，其反向不能承受高电压，所以需要在各开关器件支路串入二极管。4.4三相桥式电压型逆变电路采用180°导电方式，当其直流侧电压Ud=100V时。（１）求输出相电压基波幅值和有效值（２）求输出线电压基波幅值和有效值（３）输出线电压中五欢谐波的有效值。解：①输出相电压基波幅值输出相电压基波有效值②输出线电压基波幅值输出线电压基波有效值③输出线电压中5次谐波输出线电压中5次谐波有效值4.5全控型器件组成的电压型三相桥式逆变电路能否构成导电型？为什么？解：全控型器件组成的电压型三相桥式逆变电路能构成导电型。由于三相桥式逆变电路每个桥臂导通，同一相上下两臂的导通有32 间隔，各相导通依次相差，且不存在上下直通的问题，所以其能构成导电型。但当直流电压一定时，其输出交流线电压有效值比180°导电型低得多，直流电源电压利用率低。4.6并联谐振型逆变电路利用负载电压进行换流，为了保证换流成功应满足什么条件？答：为了保证电路可靠换流，必须在输出电压u0过零前tƒ时刻触发T2、T3，称tƒ为触发引前时间。为了安全起见，必须使式中k为大于1的安全系数，一般取为2~3。4.7试说明PWM控制的工作原理。答：将一个任意波电压分成N等份，并把该任意波曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应任意波等份的中点重合，得到一系列脉冲列。这就是PWM波形。但在实际应用中，人们采用任意波与等到腰三角形相交的方法来确定各矩形脉冲的宽度。PWM控制就是利用PWM脉冲对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。4.8单极性和双极性PWM调制有什么区别？解：单极性ＰＷＭ控制方式在调制信号的正半个周期或负半个周期内，三角波载波是单极性输出的，所得的ＰＷＭ波也是单极性范围内变化的。而双极性ＰＷＭ控制方式中，三角波载波始终是有正有负，而输出的ＰＷＭ波是双极性的。4.9试说明PWM控制的逆变电路有何优点？答：PWM电路优点如下：（1）可以得到所需波形的输出电压，满足负载需要；（2）整流电路采用二极管整流，可获得较高的功率因数；（3）只用一级可控的功率环节，电路结构简单；（4）通过对输出脉冲的宽度控制就可以改变输出电压的大小，大大的加快了逆变器的响应速度。4.10图题4.10所示的全桥逆变电路，如负载为RLC串联，R＝10Ω，L＝31.8mH，C=159μF，逆变器频率f＝100HZ，Ud＝110V、求：（1）基波电流的有效值；（2）负载电流的谐波系数。32 图题4.10解：（1）基波电压的有效值为：基波时的负载阻抗：基波电流的有效值为：（2）其主要的谐波是三次谐波与五次谐波，对应的负载阻抗分别为：其电流谐波系数分别为：。4.11在图4.10所示的单相全桥逆变电路中，直流电源Ud=300V，向R＝5Ω，L＝0.02H的阻感性负载供电。若输出波形为近似方波，占空比D=0.8，工作频率为60HZ32 ，试确定负载电流波形，并分析谐波含量。计算时可略去换相的影响和逆变电路的损耗。试求对应于每种谐波的负载功率。解：输出方波电压瞬时值为输出电压和电流波形为：基波电压和各谐波电压的有效值为：，，基波和各谐波的负载阻抗为：基波和各谐波电流的有效值为：,，32 基波和每种谐波的负载功率为：,,,第5章思考题与习题5.1在单相交流调压电路中，当控制角小于负载功率因数角时为什么输出电压不可控？答：当时电源接通，如果先触发T1，则T1的导通角θ>180°如果采用窄脉冲触发，当下的电流下降为零，T2的门极脉冲已经消失而无法导通，然后T1重复第一周期的工作，这样导致先触发一只晶闸管导通，而另一只管子不能导通，因此出现失控。5.2晶闸管相控直接变频的基本原理是什么？为什么只能降频、降压，而不能升频、升压？答：晶闸管相控直接变频的基本原理是：电路中具有相同特征的两组晶闸管整流电路反并联构成，将其中一组整流器作为正组整流器，另外为反组整流器，当正组整流器工作，反组整流器被封锁，负载端输出电压为上正下负；如果负组整流器工作，正组整流器被封锁，则负载端得到输出电压上负下正，这样就可以在负载端获得交变的输出电压。晶闸管相控直接变频，当输出频率增高时，输出电压一周期所含电网电压数就越少，波形畸变严重。一般认为：输出上限频率不高于电网频率的～。而当输出电压升高时，也会造成输出波形畸变。因此，只能降频、降压，而不能升频、升压。5.3晶闸管相控整流电路和晶闸管交流调压电路在控制上有何区别？答：相控整流电路和交流调压电路都是通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。但二者电路结构不同，在控制上也有区别。相控整流电路的输出电压在正负半周同极性加到负载上，输出直流电压。交流调压电路，在负载和交流电源间用两个反并联的晶闸管T1、T2或采用双向晶闸管T相联。当电源处于正半周时，触发T1导通，电源的正半周施加到负载上；当电源处于负半周时，触发T2导通，电源负半周便加到负载上。电源过零时交替触发T1、T2，则电源电压全部加到负载。输出交流电压。5.4交流调压和交流调功电路有何区别？答：交流调功能电路和交流调压电路的电路形式完全相同，但控制方式不同。交流调压电路都是通过控制晶闸管在每一个电源周期内的导通角的大小（相位控制）来调节输出电压的大小。32 晶闸管交流调功能电路采用整周波的通、断控制方法，例如以n个电源周波为一个大周期，改变导通周波数与阻断周波数的比值来改变变换器在整个大周期内输出的平均功率，实现交流调功。5.5一电阻炉由单相交流调压电路供电，如=0°时为输出功率最大值，试求功率为80%，50%时的控制角。解：=0°时为输出电压最大值负载上最大电流为输出最大功率输出功率为80%时，，而故输出功率为最大值的50%时，，而故5.6一交流单相晶闸管调压器，用作控制从220V交流电源送至电阻为0.5Ω，感抗为0.5Ω的串联负载电路的功率。试求：（1）控制角范围；（2）负载电流的最大有效值。解：(1)负载阻抗角为：最小控制角为故控制范围32 (2)处，输出电压最大，电流也最大，故最大有效值为：5.7试述单相交-交变频电路的工作原理。答：其电路有两组整流圈，一组为正组整流器，另一组为反组整流器，其正组和反组整流器以交替地以低于电源的频率切换正反组整流器的工作状态，当正组工作，反组封锁时，负载输出电压为上正下负，如果负组工作，正组封锁，则为上负下正，如果控制角的大小不变，则输出电压波形为矩形波，如果让控制角按90°～0°逐渐减小，然后再从0°～90°逐渐增大。那么正组整流电流的输出电压的平均值按正弦规律变化，从零增大到最大，然后从最大减小到零，反组用上述同样的控制方法，就可以得到接近正弦波的输出电压。5.8交-交变频电路的输出频率有何限制？答：交－交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的。当输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就要增加。这种输出电压波形的畸变是限制输出频率提高的主要因素之一。一般认为，交流电路采用6脉波的三相桥式电路时，最高输出频率不高于电网频率的1/3～1/2。电网频率为50HZ，交－交变频电路的输出上限频率约为20Hz。5.9三相交-交变频电路有哪两种接线方式？它们有什么区别？答：第一种：公共交流母线方法。它由三组彼此独立的，输出电压相位相互错开120 的单相交-交变频电路组成，他们的电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。因为电源进线端公用，所以三相单相变频电路的输出端必须隔离。为此，交流电动机的三个绕组必须拆开，同时引出六根线。第二种：输出星形连接方式。由三组彼此独立的，输出电位相互错开120°的单相交—交变频电路组成，共电源进线通过线电抗器接在公共的交流母线上。三相交－交变频电路的输出端星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结，电动机中点和变频器中点接在一起，电动机只引三根线即可。因为三组单相变频器连接在一起，其电源进线就必须隔离，所以三组单相变频器分别用三个变压器供电。第6章思考题与习题7.1高频化的意义是什么？为什么提高开关频率可以减小滤波器和变压器的体积和重量？答：高频化可以减小滤波器的参数，减小变压器的体积从而使装置小型化、轻型化；32 提高开关频率，可以减小滤波器的电感和电容的参数，减小滤波器的体积和重量；当变压器输入正弦波时，，频率升高时，可以减小N和S的参数，从而减小变压器各绕组的匝数和铁心的尺寸，使变压器的体积减小，重量减轻，。6.2何谓软开关和硬开关？怎样才能实现完全无损耗的软件关过程？答：如果开关器件在其端电压不为零时开通则称为硬件通，在其电流不为零时关断则称为硬关断。硬开通、硬关断统称为硬开关。在硬开关过程中，开关器件在较高电压下承载有较大电流，故产生很大的开关损耗。如果在电力电子变换电路中采取一些措施，如改变电路结构和控制策略，使开关器件被施加驱动信号而开通过程中其端电压为零，这种开通称为零电压开通；若使开关器件撤除其驱动信号后的关断过程中其承载的电流为零，这种关断称为零电流关断。零电压开通和零电流关断是最理想的软开关，其开关过程中无开关损耗。如果开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。6.3零开关，即零电压开通和零电流关断的含义是什么？答：使开关开通前的两端电压为零，则开关导通过程中就不会产生损耗和噪声，这种开通方式为零电压开通；而使开关关断时其电流为零，也不会产生损耗和噪声，称为零电流关断。6.4软开关电路可以分为哪几类？其典型拓扑分别是什么样的？各有什么特点？答：准谐振变换电路、零开关PWM变换电路和零转换PWM变换电路。见教材6.5准谐振型变换器为什么只适宜于变频方式下工作而不宜在恒频PWM方式下工作？与恒频PWM变换器相比较，在变频下工作的变换器有哪些缺点？答：对于零电压开通准谐振变换器ZVSQRC，在一个开关周期中，仅在期间电源不输出能量，而这段时间段的长短与、的谐振周期有关。当、的值一定时，降低开关频率（即增大）将使输出电压、输出功率增大。因此，零电压开通准谐振变换电路只适宜于改变变换电路的开关频率来调控输出电压和输出功率。对于零电流关断准谐振变换器ZCSQRC，因为在一个开关周期中，仅在期间电源输出功率，期间向电源回馈能量。而当、的值一定时谐振周期是不变的，变换电路的开关频率越高，就越小，的相对导通时间（电源输出功率的时间）32 增长，将使输出电压、输出功率增大，需要改变开关频率来调控输出电压和输出功率。因此适宜于变频方式工作。恒频PWM变换器当输人电压和负载在一个很大的范围内变化时．又可像常规PWM那样通过恒频PWM调节其输出电压，从而给电路中变压器、电感器和滤波器的最优化设计创造了良好的条件，克服了QRC变换电路中变频控制带来的诸多问题。在QRC电路中，一旦电路参数固定后，电路的谐振过程也就确定下来了，这使得电路唯一可以控制的量是谐振过程完成后到下一次开关周期开始前的一段间隔，这实际上使得电路只能通过改变开关周期来改变输出电压，即采用调频方式。这就给系统功率变换的高频变压器、滤波器等参数设计带来了巨大的困难，使ZCSQRC和ZVSQRC的应用受到限制。6.6软开关PWM的含义是什么？答：恒频PWM变换器当输人电压和负载在一个很大的范围内变化时．又可像常规PWM那样通过恒频PWM调节其输出电压，从而给电路中变压器、电感器和滤波器的最优化设计创造了良好的条件。6.7试比较ZCSPWM与ZCTPWM这两种变换方式的优缺点。答：ZCTPWM电路主开关管在零电流下关断，降低了类似IGBT这种具有很大电流拖尾的大功率电力电子器件的关断损耗，并且没有明显增加主功率开关管及二极管的电压、电流应力。同时，谐振网络可以自适应地根据输入电压与负载的变化调整自己的环流能力。更重要的是它的软开关条件与输入、输出无关，这就意味着它可在很宽的输入电压和输出负载变化范围内有效地实现软开关操作过程，并且用于保证ZVS条件所需的环流能量也不大。ZCTPWM电路变换器的开通是典型的硬开关方式，ZCS—PWM变换电路的输入电压和负载在一个很大范围内变化时，可像常规的PWM变换电路那样通过恒定频率PWM控制调节输出电压，且主开关管电压应力小。其主要特点与ZCSQRS电路是一样的，即主开关管电流应力大，续流二极管电压应力大。由于谐振电感仍保持在主功率能量的传递通路上．因此，实现ZCS的条件与电网电压、负载变化有很大的关系，这就制约了它在这些场合的作用。可以像QRC电路一样通过谐振为主功率开关管创造零电压或零电流开关条件，又可以使电路像常规PWM电路一样，通过恒频占空比调制来调节输出电压。6.8试比较ZVSPWM与ZVTPWM这两种变换方式的优缺点。答：ZVS32 PWM变换电路既有主开关零电压导通的优点，同时，当输入电压和负载在一个很大的范围内变化时．又可像常规PWM那样通过恒频PWM调节其输出电压，从而给电路中变压器、电感器和滤波器的最优化设计创造了良好的条件，克服了QRC变换电路中变频控制带来的诸多问题。但其主要缺点是保持了原QRC变换电路中固有的电压应力较大且与负载变化有关的缺陷。另外，谐振电感串联在主电路中，因此主开关管的ZVS条件与电源电压及负载有关。ZVTPWM电路主功率管在零电压下完成导通和关断，有效地消除了主功率二极管的反向恢复特性的影响，同时又不过多的增加主功率开关管与主功率二极管的电压和电流应力ZVTPWM变换器中的辅助开关是在高电压、大电流下关断，这就使辅助开关的开关损耗增加，从而影响整个电路的效率。然而，无论是ZCTPWM还是ZVTPWM的缺点都可以通过电路拓扑结构的改进来加以克服。6.9零电流关断PWM变换器与零电流关断准谐振变换器ZCSQRC在电路结构上有什么区别？特性上有哪些改进？答：ZCSPWM变换电路是在ZCSQRC电路的谐振电容上并联一个辅助开关管和其并联的组成的。ZCS—PWM变换电路保持了ZCS—QRC电路中主开关管零电流关断的优点；同时，当输入电压和负载在一个很大范围内变化时，又可像常规的PWM变换电路那样通过恒定频率PWM控制调节输出电压，且主开关管电压应力小。其主要特点与ZCSQRS电路是一样的，即主开关管电流应力大，续流二极管电压应力大。6.10零电压开通PWM变换器与零电压开通准谐振变换器ZVSQRC在电路结构上有什么区别？特性上有哪些改进？答：ZVSPWM变换电路是在ZVSQRC电路的谐振电感上并联一个辅助开关管和组成的。ZVSPWM变换电路既有主开关零电压导通的优点，同时，当输入电压和负载在一个很大的范围内变化时，又可像常规PWM那样，通过恒频PWM调节其输出电压，从而给电路中变压器、电感器和滤波器的最优化设计创造了良好的条件，克服了QRC变换电路中变频控制带来的诸多问题。第7章思考题与习题7.1开关电源与线性稳压电源相比有何优缺点？答：（1）功耗小、效率高。开关管中的开关器件交替地工作在导通—截止和截止--导通的开关状态，转换速度快，这使得开关管的功耗很小，电源的效率可以大幅度提高，可达90%～95%。（2）体积小、重量轻。①开关电源效率高，损耗小，则可以省去较大体积的散热器；②隔离变压用的高频变压器取代工频变压器，可大大减小体积，降低重量；③因为开关频率高，输出滤波电容的容量和体积可大为减小。32 （3）稳压范围宽。开关电源的输出电压是由占空比来调节，输入电压的变化可以通过调节占空比的大小来补偿，这样在工频电网电压变化较大时，它仍能保证有较稳定的输出电压。（4）电路形式灵活多样，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关电源。缺点为：存在开关噪声干扰。7.2功率因数校正电路的作用是什么？有哪些校正方法？其基本原理是什么？答：功率因数校正电路的作用是抑制由交流输入电流严重畸变而产生的谐波注入电网。校正方法有：无源校正和有源校正。无源校正的基本原理是：在主电路中串入无源LC滤波器。有源校正的基本原理是：在传统的整流电路中加入有源开关，通过控制有源开关的通断来强迫输入电流跟随输入电压的变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近1的功率因数。7.3UPS有何作用？它由几部分组成，各部分的功能是什么？答：UPS电源装置在保证不间断供电的同时，还能提供稳压，稳频和波形失真度极小的高质量正弦波电源。后备式UPS由充电器﹑蓄电池、逆变器、交流稳压器、转换开关等部分组成。各部分的功能：当市电存在时，逆变器不工作，市电经交流稳压器稳压后，通过转换开关向负载供电，同时充电器工作，对蓄电池组浮充电。市电掉电时，逆变器工作，将蓄电池供给的直流电压变换成稳压，稳频的交流电压。转换开关同时断开市电通路，持通逆变器，继续向负载供电。在线式UPS由整流器、逆变器、蓄电池组、静态转换开关等部分组成。各部分功能：正常工作时，市电经整流器变换成直流，在经逆变器变换成稳压、稳频的正弦波交流电压供给负载。当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不间断供电，如果逆变器发生故障，则UPS通过静态开关切换到旁路，直接由市电供电。7.4什么是TCR？什么是TSC？什么是SVG？它们各有何区别？答：TCR为晶闸管控制电抗器；TSC为晶闸管投切电容器；SVG为静止无功发生器。其中TCR和TSC是采用晶闸管开关的静止无功补偿装置；而SVG是采用自换相变流器的静止无功补偿装置。32'