1、第1章 復習題及思考題解答1.1 電力技術、電子技術和電力電子技術三者所涉及的技術內容和研究對象是什么？三者的技術發展和應用主要依賴什么電氣設備和器件？答：電力技術涉及的技術內容：發電、輸電、配電及電力應用。其研究對象是：發電機、變壓器、電動機、輸配電線路等電力設備，以及利用電力設備來處理電力電路中電能的產生、傳輸、分配和應用問題。其發展依賴于發電機、變壓器、電動機、輸配電系統。其理論基礎是電磁學(電路、磁路、電場、磁場的基本原理)，利用電磁學基本原理處理發電、輸配電及電力應用的技術統稱電力技術。電子技術，又稱為信息電子技術或信息電子學，研究內容是電子器件以及利用電子器件來處理電子電路中電信號

2、的產生、變換、處理、存儲、發送和接收問題。其研究對象:載有信息的弱電信號的變換和處理。其發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）。電力電子技術是一門綜合了電子技術、控制技術和電力技術的新興交叉學科。它涉及電力電子變換和控制技術技術，包括電壓（電流）的大小、頻率、相位和波形的變換和控制。研究對象：半導體電力開關器件及其組成的電力開關電路，包括利用半導體集成電路和微處理器芯片構成信號處理和控制系統。電力電子技術的發展和應用主要依賴于半導體電力開關器件。1.2 為什么三相交流發電機或公用電網產生的恒頻、恒壓交流電，經電壓、頻率變換后再供負載使用，有可能獲得更

3、大的技術經濟效益？答：用電設備的類型、功能千差萬別，對電能的電壓、頻率、波形要求各不相同。為了滿足一定的生產工藝和流程的要求，確保產品質量、提高勞動生產率、降低能源消耗、提高經濟效益，若能將電網產生的恒頻、恒壓交流電變換成為用電負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經濟效益。例如：若風機、水泵全部采用變頻調速技術，每年全國可以節省幾千萬噸以上的煤，或者可以少興建上千萬千瓦的發電站。若采用高頻電力變換器對熒光燈供電，不僅電-光轉換效率進一步提高、光質顯著改善、燈管壽命延長35倍、可節電50%，而且其重量僅為工頻電感式鎮流器的10%。高頻變壓器重量、體積比工頻變壓器小得多，可

4、以大大減小鋼、銅的消耗量。特別在調速領域，與古老的變流機組相比，在鋼銅材消耗量、重量、體積、維護、效率、噪音、控制精度和響應速度等方面優勢明顯。1.3 開關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，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)所示的開關電

5、路實現DC/AC逆變變換的基本原理是什么？從開關電路的輸出端C、D能否直接獲得理想的正弦基波電壓？直流電源輸出到開關電路輸入端A、B的直流電流是否為無脈動連續的直流電流？答：（1） DC/AC逆變電路的可以采用三種控制方案：A、180°方波；B、小于180°單脈沖方波；C、PWM控制。基本原理分別如下：A、 180°方波。當要求輸出交流電的頻率為時，在半周期內使S1、S4導通，S2、S3阻斷，則逆變電路輸出電壓；令隨后的時間內S2、S3導通，S1、S4阻斷，則逆變電路輸出電壓為負的電源電壓（）。因此是頻率為、幅值為的交流方波電壓，如圖1.6(b)所示。對進行傅立葉

6、分解，得到其基波電壓有效值為，大小取決于直流電源的電壓；基波角頻率，取決于開關的工作頻率。其中含有大量的高次諧波經濾去后，負載可獲得正弦交流基波電壓。B、 小于180°單脈沖方波。類似180°方波控制，但是僅在半周的一部分時間內讓相應的開關導通，則將是導電時間小于T/2，導電寬度角小于的矩形波，如圖1.6(c)所示進行傅立葉分解，得到基波電壓有效值為 或 。顯然，控制導通時間可以控制輸出電壓基波大小，而輸出電壓的頻率f仍取決于開關工作頻率。C、 若采用高頻開關PWM控制策略，則交流輸出電壓為圖1.6(d)所示的脈沖寬度調制（PWM）的交流電壓，輸出電壓波形更接近正弦波且其中

7、諧波電壓的頻率較高，只需要很小的濾波就可得到正弦化的交流電壓。其性能遠優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） 是有脈動非連續的直流電流，正因為這樣，所以在直流側串聯了濾波器。1.5 開關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電路，開關電路輸出端電壓和開關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PWM控制技術。（3） 電力電子變換器工作時，開關器件不斷進行周期性通、斷狀態的依序轉換，為使輸出電

8、壓接近理想的直流或正弦交流，一般應對稱地安排一個周期中不同的開關狀態及持續時間。因此對其工作特性的常用分析方法或工具是：開關周期平均值（狀態空間平均法）和傅立葉級數。1.6 開關型電力變換器有哪兩類應用領域？說明開關型電力電子補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）開關型電力變換器按功能可分為兩大應用領域：A、開關型電力電子變換電源或簡稱開關電源。由半導體開關電路將輸入電源變換為另一種電源給負載供電。這一類應用現在已經十分廣泛。B、 開關型電力電子補償控制器。它又分為兩種類型：電壓、電流（有功功率、無功功率）補償控制器和阻抗補償控制器。它們或向電網輸出所要求

9、的補償電壓或電流，或改變并聯接入、串聯接入交流電網的等效阻抗，從而改善電力系統的運行特性和運行經濟性。這類應用將導致電力系統的革命并推動電力電子技術的繼續發展。（2）開關型電力電子補償控制器能輸出指令所要求的任意頻率、波形的電壓、電流的基本原理如下：圖1.10(a)電路中，周期性的控制四個開關管的通、斷狀態，在一個開關周期中，可輸出圖1.10（b）所示的PWM矩形波電壓，在期間電壓，在期間。在一個周期時期中，的平均值為，即圖中矩形波電壓。若開關管通、斷狀態轉換的開關頻率很高，即周期很小，則實際輸出脈寬為，幅值為的電壓與脈寬為，幅值為平均值電壓都是歷時很短的脈沖電壓。采樣控制理論中的脈沖量等效原

10、理是：兩個波形不同的窄脈沖電壓、，只要在同一時期中，其脈沖量積分值相等，則它們作用于同一個慣性系統，如電路時的響應是等效的，因此開關電路在整個開關周期時期中輸出的可等效為幅值為，歷時的電壓瞬時值。如果要求開關電路輸出圖1.10（c）中所示波形的指令電壓，即在瞬間指令電壓為，則在以點為中心的一個開關周期中，控制開關管的通、斷狀態及其導通、關斷時間，使占空比，使平均電壓，即周期中的占空比，以此控制圖1.10（a）中的通斷狀態，使，即可使輸出電壓跟蹤任意頻率、波形、相位的指令電壓值。采用圖1.10（a）所示開關型變流器也能向電網輸出任意波形的指令電流。為此，原理上只要在控制系統中設置一個電流閉環控制

11、環節，實時檢測輸出電流并與指令值相比較，將差值經電流調節器輸出一個控制電壓，調控占空比，當時，控制電壓增大，使增大，導致加大，加大，使跟蹤，達到。反之，當時，控制電壓減小，使占空比減小，減小，減小，跟蹤指令值，達到。因此，只要根據指令電流的正、負數值，實時、適式地調控各開關管的通、斷狀態及相應的占空比值，就可使開關電路輸出指令所要求的任意頻率、波形、相位的電流。第2章 復習題及思考題解答2.1 說明半導體PN結單向導電的基本原理和靜態伏-安特性。答：PN結半導體二極管在正向電壓接法下（簡稱正偏），外加電壓所產生的外電場與內電場方向相反，因此PN結的內電場被削弱。內電場所引起的多數載流子的漂移運

12、動被削弱，多數載流子的擴散運動的阻力減小了，擴散運動超過了反方向的漂移運動。大量的多數載流子能不斷地擴散越過交界面，P區帶正電的空穴向N區擴散，N區帶負電的電子向P區擴散。這些載流子在正向電壓作用下形成二極管正向電流。二極管導電時，其PN結等效正向電阻很小，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）。這時的二極管在電路中相當于一個處于導通狀態（通態）的開關。PN結半導體二極管在反向電壓接法下（簡稱反偏）外加電壓所產生的外電場與原內電場方向相同。因此外電場使原內電場進一步增強。多數載流子（P區的空穴和N區的電子）的擴散運動更難

13、于進行。這時只有受光、熱激發而產生的少數載流子（P區的少數載流子電子和N區的少數載流子空穴）在電場力的作用下產生漂移運動。因此反偏時二極管電流極小。在一定的溫度下，二極管反向電流在一定的反向電壓范圍內不隨反向電壓的升高而增大，為反向飽和電流。因此半導體PN結呈現出單向導電性。其靜態伏安特性曲線如左圖曲線所示。但實際二極管靜態伏安特性為左圖的曲線。二極管正向導電時必須外加電壓超過一定的門坎電壓（又稱死區電壓），當外加電壓小于死區電壓時，外電場還不足以削弱PN結內電場，因此正向電流幾乎為零。硅二極管的門坎電壓約為0.5V，鍺二極管約為0.2V，當外加電壓大于后內電場被大大削弱，電流才會迅速上升。二

14、極管外加反向電壓時僅在當外加反向電壓不超過某一臨界擊穿電壓值時才會使反向電流保持為反向飽和電流。實際二極管的反向飽和電流是很小的。但是當外加反向電壓超過后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加。 2.2 說明二極管的反向恢復特性。答：由于PN結間存在結電容C，二極管從導通狀態（C很大存儲電荷多）轉到截止阻斷狀態時，PN結電容存儲的電荷并不能立即消失，二極管電壓仍為12V，二極管仍然具有導電性，在反向電壓作用下，反向電流從零增加到最大值，反向電流使存儲電荷逐漸消失，二極管兩端電壓降為零。這時二極管才恢復反向阻斷電壓的能力而處于截止狀態，然后在反向電壓作用下，僅流過很小的反向飽和電流。因此，二極管正向導

15、電電流為零后它并不能立即具有阻斷反向電壓的能力，必須再經歷一段反向恢復時間后才能恢復其阻斷反向電壓的能力。2.3 說明半導體電力三極管BJT處于通態、斷態的條件。答：電力三極管BJT處于通態的條件是：注入三極管基極的電流大于基極飽和電流（已知三極管的電流放大系數，有）。這時三極管、導電性很強而處于最小等效電阻、飽和導電狀態，可以看作是一個閉合的開關。BJT處于斷態的條件是：基極電流為零或是施加負基極電流，即。這時BJT的等效電阻近似為無限大而處于斷態。2.4 電力晶體管BJT的四個電壓值、和的定義是什么？其大小關系如何？答：、和分別為不同基極狀態下的三極管集-射極擊穿電壓值： 定義為基極反偏時

16、，三極管集-射極電壓擊穿值；為基極短接、基極電壓為0時，三極管集-射極電壓擊穿值；為基極接有電阻短路時的集-射極擊穿電壓值要；為基極開路時集-射極擊穿電壓值。其大小關系為：。2.5 說明晶閘管的基本工作原理。在哪些情況下，晶閘管可以從斷態轉變為通態？已處于通態的晶閘管，撤除其驅動電流為什么不能關斷，怎樣才能關斷晶閘管？答：基本工作原理：見課本p36-37；應回答出承受正向壓、門極加驅動電流時的管子內部的正反饋過程，使不斷增大，最后使，很大，晶閘管變成通態；撤去門極電流后由于，仍可使很大，保持通態。有多種辦法可以使晶閘管從斷態轉變成通態。常用的辦法是門極觸發導通和光注入導通。另外正向過電壓、高溫

17、、高的都可能使晶閘管導通，但這是非正常導通情況。要使晶閘管轉入斷態，應設法使其陽極電流減小到小于維持電流，通常采用使其陽極A與陰極K之間的電壓為零或反向。2.6 直流電源電壓220V，經晶閘管T對負載供電。負載電阻20，電感=1H，晶閘管擎住電流=55mA，維持電流=22mA，用一個方波脈沖電流觸發晶閘管。試計算： 如果負載電阻20，觸發脈沖的寬度為300s，可否使晶閘管可靠地開通？ 如果晶閘管已處于通態，在電路中增加一個1K的電阻能否使晶閘管從通態轉入斷態？ 為什么晶閘管的擎住電流比維持電流大？答：(1) 設晶閘管開通：，由此可解出：當時，所以可以使晶閘管可靠導通。(2) 加入1K電阻后，有

18、，不能使晶閘管由通態轉入斷態。(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動電流的條件下定義的，因此陽極電流。但維持電流是在通態時考慮的，此時管子已工作在較大電流狀態下，管內結溫較高，此時的PN結漏電流Io隨結溫增大，導通能力強，因此必須要降低才能關斷晶閘管；而擎住電流是在斷態向通態變化時定義的，開始有驅動信號但未完全導通時，晶閘管工作時間短，結溫低，PN結漏電流Io不大，導通能力弱，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期通過15A的直流負載電流而不過熱？答：額定電流為10A的晶閘管能夠承受長期通過15A的直流負載電流而

19、不過熱。因為晶閘管的額定電流是定義的：在環境溫度為40和規定的散熱冷卻條件下，晶閘管在電阻性負載的單相、工頻正弦半波導電、結溫穩定在額定值125時，所對應的通態平均電流值。這就意味著晶閘管可以通過任意波形、有效值為1.57的電流，其發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的直流負載電流，其發熱溫升正好是允許值。2.8 說明GTO的關斷原理。答：在GTO的設計制造時，等效晶體管T2的集電極電流分配系數a2較大。當GTO處于通態時，突加一個負觸發電流-Ig，使a2減小， 1-a2變大，急劇減小，就是陽極電流急劇減小，又導致電流分配系數a2和a

20、1減小，使急劇減小，又使、減小。在這種循環不已的正反饋作用下，最終導致GTO陽極電流減小到維持電流以下，GTO從通態轉入斷態。2.9 說明PMOSFET柵極電壓控制漏極電流的基本原理。答：當右圖中P-MOSFET漏源極間電壓為零、柵源極之間電壓也為零時，N型半導體與P型半導體之間要形成PN結空間電荷區（耗盡層）阻擋層，此時G-S之間和D-S之間都是絕緣的。當漏極D與源極S之間有外加電壓時，如果柵極、源極外加電壓=0，由于漏極D(N1)與源極S(N2)之間是兩個背靠背的PN結(PN1、PN2)，無論是正向電壓還是負電壓，都有一個PN結反偏，故漏源極之間也不可能導電。當柵、源極之間外加正向電壓0時

21、，在G-P之間形成電場，在電場力的作用下P區的電子移近G極，或者說柵極G的正電位吸引P區的電子至鄰近柵極的一側，當增大到超過某一值值時，N1和N2中間地區靠近G極處被G極正電位所吸引的電子數超過該處的空穴數以后，柵極下面原空穴多的P型半導體表面就變成電子數目多的N型半導體表層，柵極下由柵極正電位所形成的這個N型半導體表層感生了大量的電子載流子，形成一個電子濃度很高的溝道（稱為N溝道），這個溝道將N1和N2兩個N區聯在一起，又使N1P這個被反偏的PN結J1消失，成為漏極D和源極S之間的導電溝道，一旦漏源之間也有正向電壓，就會形成漏極電流。在=0時，不能產生電流，=0，僅在增大到=以后，才使G-P

22、之間的外電場增強，形成自由電子導電溝道，才能產生漏極電流，這種改變柵極G和源極S之間外加電壓，即可控制漏極電流的作用稱為電導調制效應。2.10 作為開關使用時PMOSFET器件主要的優缺點是什么？答：作為開關使用時，PMOSFET器件的優點是：輸入阻抗高，驅動功率小，驅動電路簡單，工作頻率高；其缺點是：通態壓降大（通態損耗大），電壓、電流定額低。2.11 列表比較BJT、SCR、GTO、PMOSFET、IGBT、MCT六種可控開關器件對觸發（或驅動）電流（或電壓）波形的要求，及主要優缺點。答：表 BJT SCR GTO P MOSFET IGBT MCT 的對比器 件對觸發信號波形的要求開關頻

23、率單極或雙極主要優點主要缺點BJT（電流型全控器件）正持續基極電流控制開通；基極電流為0則關斷中雙極通態壓降小，通態損耗小驅動功率大；頻率低SCR（電流型半控器件）正脈沖門極電流控制開通；觸發信號不能控制關斷低雙極通態壓降小，通態損耗小驅動功率大，頻率低GTO（電流型全控器件）正脈沖門極電流控制開通；負脈沖門極電流（較大）控制關斷低雙極通態壓降小，通態損耗小驅動功率大，頻率低P MOSFET（電壓型全控器件）正持續柵極電壓控制開通；負持續柵極電壓控制并保持關斷高單極輸入阻抗高，驅動功率小，驅動電路簡單，工作頻率高通態壓降大（通態損耗大）電壓、電流定額低IGBT（電壓型全控器件）正持續柵極電壓控

24、制開通；負持續柵極電壓控制并保持關斷較高雙極輸入阻抗高，驅動功率小，驅動電路簡單，工作頻率高通態壓降大（通態損耗大）MCT（電壓型全控器件）正脈沖電壓控制開通；負脈沖電壓控制關斷較高（低于IGBT)雙極輸入阻抗高，驅動功率小，驅動電路簡單，工作頻率高通態壓降大（通態損耗大）2.12 21世紀電力電子開關器件最可能的重大技術發展是什么？答：21世紀電力電子開關器件最可能的重大技術發展是將半導體電力開關器件與其驅動、緩沖、監測、控制和保護等所有硬件集成一體，構成一個功率集成電路PIC。PIC器件把電力電子變換和控制系統中盡可能多的硬件以芯片的形式封裝在一個模塊內，使之不再有額外的引線聯接，不僅極大

25、地方便了使用，而且能大大降低系統成本，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實現了電能與信息的集成，如果能妥善解決PIC內部的散熱、隔離等技術難題，今后PIC將使電力電子技術發生革命性的變革。第3章 復習題及思考題解答3.1 直流直流電壓變換中開關器件的占空比是什么？推證圖3.1(c)所示脈寬時間為、脈寬角度為、周期為、幅值為的方波脈沖電壓的直流平均值及各次諧波的幅值。圖3.1 Buck變換器電路結構及降壓答：占空比是開關管導通時間與開關周期的比值。圖3.1(c)中方波脈沖電壓可以表示為如下傅立葉表達式：其中常數項為直流平均值，即 ；各余弦項為

26、各次諧波，其幅值為： 。3.2 脈沖寬度調制PWM和脈沖頻率調制PFM的優缺點是什么？答：脈沖寬度調制方式PWM，保持不變（開關頻率不變），改變調控輸出電壓。脈沖頻率調制方式PFM。保持不變，改變開關頻率或周期調控輸出電壓。實際應用中廣泛采用PWM方式。因為采用定頻PWM開關時，輸出電壓中諧波的頻率固定，濾波器設計容易，開關過程所產生電磁干擾容易控制。此外由控制系統獲得可變脈寬信號比獲得可變頻率信號容易實現。但是在諧振軟開關變換器中為了保證諧振過程的完成，采用PFM控制較容易實現。3.3 Buck變換器中電感電流的脈動和輸出電壓的脈動與哪些因數有關，試從物理上給以解釋。答：電感電流的脈動量與電

27、感量、開關頻率、輸入電壓、輸出電壓有關，輸出電壓的脈動量與電感量、電容量、開關頻率、輸出電壓有關。電感量、電容量越大其濾波效果越好，而開關頻率越高，濾波電感的交流阻抗就很大，它對直流電壓的阻抗基本為0，同時濾波電容的交流阻抗很小。3.4 Buck變換器斷流工況下的變壓比與哪些因數有關，試從物理上給以解釋。答：Buck變換器在電流斷續工況下其變壓比不僅與占空比有關，還與負載電流的大小、電感、開關頻率以及電壓等有關。3.5 圖3.2(a)、3.5(a)電路穩態時在一個開關周期中，電感電流的增量，電感的磁通增量是否為零，為什么？電容的電流平均值為零，電容端電壓的增量是否為零，為什么？答：電路處于穩態

28、時，在一個開關周期內電感電流的增量，同時電感的磁通增量，因為如果一個周期內電感的磁通增量，那么電感上的磁通將無法復位，也即電感上的能量不斷累積，最終將達到飽和，甚至燒毀電感，所以穩態工作時應使一個開關周期內電感的磁通增量。電容的電流平均值為0，那么電容端電壓的增量也為0，因為穩態時一個周期內電容上的充電電荷等于放電電荷，即電容上電荷增量，而電容端電壓增量，故電容端電壓的增量也為0。3.6 Buck變換器中電流臨界連續是什么意思？當負載電壓、電流一定時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是指處于電感電流連續和電感電流斷流兩種工況的臨界點的工作狀態。這時在開關管阻

29、斷期結束時，電感電流剛好降為零。當負載電壓、電流一定時增大電感量和提高開關頻率都可以避免電感電流斷流。3.7 開關電路實現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的直流輸出電壓，一個簡單而有效的辦法是在變換器開關管前端插入一個電感L，如右圖所示。在開關管T關斷時，利用圖中電感線圈在其電流減小時所產生的反電勢(在電感電流減小時，為正值)，將此電感反電勢與電源電壓串聯相加送至負載，則負載就可獲得高于電源電壓的直流電壓，從而實現直流升壓變換。3.8 Boost變換器為什么不宜在占空比接近1的情況下工作？答：因為在Boost變換器中，開關管導通時，電源與負載脫離，其能量全部儲存在電感中，

30、當開關管關斷時，能量才從電感中釋放到負載。如果占空比接近于1，那么開關接近于全導通狀態，幾乎沒有關斷時間，那么電感在開關管導通期間儲存的能量沒有時間釋放，將造成電感飽和，直至燒毀。因此Boost變換器不宜在占空比接近1的情況下工作。同時，從Boost變換器在電感電流連續工況時的變壓比表達式也可以看出，當占空比接近1時，變壓比接近于無窮大，這顯然與實際不符，將造成電路無法正常工作。3.9 升壓降壓變換器（Cuk變換器）的工作原理及主要優點是什么？答： Cuk變換器在一個開關周期中，期間，令開關管T導通，這時電源經電感L1和T短路，L1電流線性增加，電源將電能變為電感L1儲能，與此同時電容C1經T

31、對C2及負載放電，并使電感L2電流增大而儲能。在隨后的期間，開關管T阻斷，電感L1電流經電容C1及二極管D續流，此時，電感L2也經D續流，L2的磁能轉化為電能對負載供電。Cuk變換器的優點是僅用一個開關管使電路同時具有升、降壓功能；而且該變換器輸入輸出電流脈動小。3.10 如何理解Cuk變換器中間電容電壓等于電源電壓與負載電壓之和，即？答：電感電壓，穩態運行時，一個開關周期中電感、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電路拓撲結構圖可直接得到直流平均電壓。3.11 直流直流四象限變換器的四象限指的是什么？直流電機四象限運行中的四象限指的是什么？這兩種四象限有什么對

32、應關系？答：直流直流四象限變換器的四象限指的是變換器的輸出電壓、輸出電流均可正可負的四種組合。直流電機四象限運行中的四象限指的是電機的轉速和電磁轉矩可正可負的四種組合。對于電機的轉速有： 對于電機的電磁轉矩Te： 在勵磁電流不變、磁通不變時電機的轉速、電磁轉矩大小和方向由VAB、IAB決定。通過改變VAB的大小及IAB的大小和方向，調控電機在正方向下旋轉時的轉速及電磁轉矩Te的大小和方向，既可使直流電機在電動機狀態下變速運行亦可在發電機制動狀態下變速運行。因此直流直流四象限變換器的四象限和直流電機運行中的四象限之間存在一一對應的關系，如圖3.9(d)所示。3.12 多重、多相直流/直流變換器中

33、，多重（重數），多相（相數）指的是什么意義？多重、多相變換器的優點是什么？答：假定變換器中每個開關管通斷周期都是，多重（重數）是指：在一個周期中變換器負載電流脈動次（），即脈動頻率為。多相（相數）是指：在一個周期中變換器電源側電流脈動次，即脈動頻率為。多重、多相變換器的優點是：其輸出電壓、輸入電流脈動頻率比單個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濾波器重量體積的要求，同時多重、多相復合變換器還能擴大變換器的輸出容量。3.13 說明單端正激、單端反激DC/DC變換器工作原理。答：單端正激DC/DC變換器從電路結構、工作原理上可以看出它是帶隔離變壓器的Buck電

34、路如圖3.11(b)所示，開關管T導通時經變壓器將電源能量直送負載被稱為正激。但是匝比N2/N1不同時，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導通的期間，電源電壓Vd加至N1繞組，電流直線上升、電感L1儲能增加，副方繞組N2的感應電勢，二極管D1截止，負載電流由電容C提供，C放電；在T阻斷的期間，N1繞組的電流轉移到N2，感應電勢（反向為正），使D1導電，將磁能變為電能向負載供電并使電容C充電。該變換器在開關管T導通時并未將電源能量直送負載，僅在T阻斷的期間才將變壓器電感磁能變為電能送至負載故稱之為

35、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。3.14 具有中間交流環節變壓器隔離的半橋、全橋和推挽型DC/AC-AC/DC變換器各有哪些優點？答：三種變換器都有高頻隔離變壓器，輸入輸出側實現了電氣隔離，高頻變壓器體積、重量小；輸出LC濾波器主要濾除高頻諧波，LC濾波器比較小；主電路高頻開關可以采用軟開關工作模式，從而減小開關損耗；輸出既可以實現升壓又可以實現降壓，電壓調控范圍寬。第4章 復習題及思考題解答4.1 逆變器輸出波形的諧波系數HF與畸變系數DF有何區別，為什么僅從諧波系數HF還不足以說明逆變器輸出波形的本質？答：第n次諧波系數HFn為第n次諧波分量有

36、效值同基波分量有效值之比，即HFnVn/V1,總諧波系數THD定義為：，畸變系數DF定義為：，對于第n次諧波的畸變系數DFn有： 諧波系數HF顯示了諧波含量，但它并不能反映諧波分量對負載的影響程度。很顯然，逆變電路輸出端的諧波通過濾波器時，高次諧波將衰減得更厲害，畸變系數DF可以表征經LC濾波后負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不適于作開關器件？答： （1）逆變電路中一般采用SPWM控制方法以減小輸出電壓波形中的諧波含量，需要開關器件工作在高頻狀態，SCR是一種低頻器件，因此不適合這種工作方式。（2）SCR不能自關斷。而逆變器的負載一般是電感、電容、電阻等無源元

37、件，除了特殊場合例如利用負載諧振進行換流，一般在電路中需要另加強迫關斷回路才能關斷SCR，電路較復雜。因此SCR一般不適合用于逆變器中。4.3 圖4.2(a)和4.3(a)中的二極管起什么作用，在一個周期中二極管和三極管導電時間由什么因素決定，在什么情況下可以不用二極管D？純感性負載時，負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：圖中二極管起續流和箝位作用，在一個周期中二極管和晶體管導電時間由三極管驅動信號和負載電流的方向共同決定，在純阻性負載時可以不用二極管D。純電感負載時，在期間，對于全橋逆變電路有，對半橋電路，線性上

38、升；在期間，全橋電路，半橋有，線性下降；故電流是三角波。4.4 有哪些方法可以調控逆變器的輸出電壓。答：有單脈波脈寬調制法、正弦脈寬調制法（SPWM）、基波移相控制法等。單脈波脈寬調制法缺點是諧波含量不能有效控制；SPWM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 SPWM的基本原理是什么？載波比N和電壓調制系數M的定義是什么？在高頻載波電壓幅值和頻率恒定不變時，改變調制參考波電壓幅值和頻率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？如果要改變輸出基波的相位應該如何調控？答：正弦脈寬調制SPWM的基本原理是沖量等效原理：大小、波形不相同的窄變量作用

39、于慣性系統時，只要其沖量即變量對時間的積分相等，其作用效果基本相同。如果將正弦波周期分成多個較小的時間段，使PWM電壓波在每一時間段都與該段的正弦電壓沖量相等，則不連續的按正弦規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和正弦調制波頻率之比：N/；電壓調制系數M是正弦調制波幅值和三角波幅值之比M/.,改變調制比M，即可成比例的調控輸出電壓的基波大小。又因為，所以改變調制波頻率，即可調控輸出電壓的基波頻率，改變調制波電壓幅值可以改變調制比M，從而可以改變交流輸出基波電壓的大小。如果要改變輸出基波的相位，僅需改變正弦調制波的相位即可。4.6 SPWM調制中，設載波比遠大于基

40、波頻率且不過調制。當調制比相同但載波比不同時，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：SPWM調制中，當載波比遠大于基波頻率且不過調制，如果調制比相同但載波比不同時，由于，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，而且較小載波比對應的輸出電壓諧波頻率更低。4.7 SPWM出現過調制時，其輸出電壓有哪些特點？答：對于SPWM，當出現過調制時，對應的調制比，此時正弦調制波幅值超過三角載波幅值，可能在多個載波周期內都和三角波沒有交點，開關頻率會急劇下降，同時等效調制波不再是原來的理想正弦波，而是在正弦波峰處出現平頂的波形，由于

41、，因此逆變器輸出電壓波形也是正弦波峰處出現平頂的波形，該波形含有很多低頻諧波分量，當然對應的輸出電壓基波分量比沒有過調制時要大一些。4.8 為什么在載波比較低的應用中希望用同步調制？答：進行SPWM調制時，通常令載波比為整數，這種調制方式稱為同步調制。當載波比不是整數時，稱為異步調制。在異步調制時諧波的頻率一般不再是基波的整數倍，這種非基波整數倍頻的諧波被稱為次諧波。如果載波比較高，次諧波的頻率也較高，次諧波的影響可以不用單獨考慮。但在載波比很低的應用場合，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延伸到很低的頻段，有可能產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

42、難濾除，而且對裝置運行非常不利。所以低載波比的應用場合必須使用同步調制，而且最好令載波比是奇數，因為奇數載波比可以保證最低次諧波至少是三倍基波頻率。4.9 單級倍頻SPWM中，如果僅用一個三角載波，兩個橋臂分別使用反相的正弦參考波和，是否可以獲得圖4.11所示的相同調制效果？如果可以，應該如何控制開關管的驅動脈沖？答：在單級倍頻SPWM中，如果僅用一個三角載波，兩個橋臂分別使用反相的正弦參考波和，可以獲得圖4.11所示的相同調制效果。開關管驅動脈沖按照下圖產生：4.10 推導單極性規則采樣調制時的占空比計算公式。答：如下圖所示，為單極性倍頻不對稱規則采樣時的過程圖，vr與-vr是調制波，vc是

43、周期為Ts幅值為±Vcm的三角波。在采樣周期的起始時刻t1取樣調制波的大小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時刻對應脈沖的前沿時刻ta與t4。在采樣周期的中點時刻t2取樣調制波的大小vr(t2) 與-vr(t2)，并以vr(t2) 與-vr(t2)為高作水平線，該水平線和載波的交點時刻對應脈沖的后沿時刻tb與t5。由圖可知： ， ，相應的占空比為： ，。一般情況下，TaTb，所以每個采樣周期內的脈沖波形相對于采樣周期中點時刻t2是不對稱的，故稱之為不對稱規則采樣。有時候在一個采樣周期內僅在t1或t2時刻進行一次采樣，

44、該采樣值既用于計算Ta也用于計算Tb，這時的脈沖波形顯然對于采樣周期的中點時刻t2對稱，故稱為對稱規則采樣。t1t2t3Ts/2Ts/2tatbTaTbvrvcottot4t5-vr4.11 試說明三相電壓型逆變器SPWM輸出電壓閉環控制的基本原理。答： 引入了逆變器輸出電壓的閉環反饋調節控制系統如下圖所示，為輸出基波電壓有效值的指令值，為輸出基波電壓有效值的實測反饋值。電壓偏差經電壓調節器VR輸出調制電壓波的幅值。與調制波的頻率共同產生三相調制波正弦電壓，它們與雙極性三角載波電壓相比較產生驅動信號，控制各個全控型開關器件的通斷，從而控制逆變器輸出的三相交流電壓。 當<時，電壓調節器VR

45、輸出的增大，M值增大，使輸出電壓各脈波加寬，輸出電壓增大到給定值；反之當>時，減小，M值減小，使輸出電壓減小到。如果電壓調節器VR為PI調節器（無靜態誤差），則可使穩態時保持。因此當電源電壓改變或負載改變而引起輸出電壓偏離給定值時，通過電壓閉環控制可時輸出電壓跟蹤并保持為給定值。4.12 試仿照圖4.12和(4-36)、(4-37)式，畫出單極性規則采樣的波形圖并推導脈沖計算公式。答：如下圖所示，為單極性倍頻不對稱規則采樣時的過程圖，vr與-vr是調制波，vc是周期為Ts幅值為±Vcm的三角波。在采樣周期的起始時刻t1取樣調制波的大小vr(t1)與-vr(t1)，并以vr(t1

46、) 與-vr(t1)分別為高作水平線，該水平線和載波的交點時刻對應脈沖的前沿時刻ta與t4。在采樣周期的中點時刻t2取樣調制波的大小vr(t2) 與-vr(t2)，并以vr(t2) 與-vr(t2)為高作水平線，該水平線和載波的交點時刻對應脈沖的后沿時刻tb與t5。由圖可知： ， 。一般情況下，TaTb，所以每個采樣周期內的脈沖波形相對于采樣周期中點時刻t2是不對稱的，故稱之為不對稱規則采樣。有時候在一個采樣周期內僅在t1或t2時刻進行一次采樣，該采樣值既用于計算Ta也用于計算Tb，這時的脈沖波形顯然對于采樣周期的中點時刻t2對稱，故稱為對稱規則采樣。t1t2t3Ts/2Ts/2tatbTaT

47、bvrvcottot4t5-vr4.13 三相逆變器中，在調制波里面注入三次諧波為什么可以提高直流電壓利用率？在不過調制的前提下，輸出線電壓最大可以達到多少？0 /2-1.001.03/22vr3vrvi3vc圖4.21 三次諧波注入SPWM答：在正弦基波調制波vr中注入三次諧波vi3得到新的調制波。由于三次諧波的注入，在某些情況下即使vr的峰值Vrm超過三角波幅值（基波M1），但只要vr3的最大值不超三角波峰值，仍然不會過產生調制，而基波輸出電壓又可以提高。但由于調制波中含三次諧波，所以輸出電壓的低頻段將既含有所需要的基波電壓又含有不希望存在的且與vi3調制比對應大小的三次諧波電壓。不過在三

48、相無中線系統中，如果每相的調制波基波中都注入同樣的三次諧波vi3，那么雖然每相輸出電壓VAO、VBO、VCO中都含有同樣大小和相位的三次諧波，但由于諧波抵消效應，線電壓VAB、VBC、VCA中不會出現三次諧波，所以三次諧波電壓不會產生負載電流，對負載的正常工作也不會帶來任何影響。如果三相調制波具有如下形式： 輸出線電壓基波峰值可以提高到直流電壓VD而不過調制，這時的基波調制比M可達（約1.15）。4.14三相逆變器的空間矢量調制中，如何用兩個相差非零的空間矢量和零矢量的合成效果去等效任意位置相位角的空間矢量？當直流電壓一定時，如何調控輸出電壓的大小和相位？答：可采用從逆變器的6個處于空間特定位

49、置的開關狀態矢量中，選擇兩個相鄰的矢量與零矢量合成一個等效的旋轉空間矢量。通過調控的大小和旋轉速度，來調節三相逆變器輸出電壓的大小和頻率，這就是電壓空間矢量PWM方法。將圖4-23中的 區域劃分為6個的扇區，如果要求的相位角為任意指令值，則可用矢量所在的扇區邊界的那兩個相鄰的特定矢量、來合成矢量，即可用逆變器的3個開關狀態x、y、0在一個周期中各自存在、時間來合成等效的任意位置的空間矢量（存在時間為），即：。由該式可求出、。當直流電壓一定時，通過調節零矢量作用時間，可調控輸出電壓大小。大，輸出電壓將減小。一定的、決定了輸出電壓具有一定的相位角和電壓大小。4.15 復合結構逆變器消除低階諧波的原

50、理是什么？圖4.26(d)中12階梯波輸出電壓的半周由6段組成，每段，高度分別是、和，如果已知圖4.6(d)所示波形傅立葉級數表達式為（時間坐標相位角的起點選在正半波脈寬的中點），利用這個傅立葉級數表達式求12階梯波的傅立葉級數表達式。答：復合結構逆變器采用多個三相橋式逆變電路，每個開關都按導電方式工作，每個三相橋逆變電路輸出線電壓都是方波。令各個三相橋式逆變器的同一相（例如A相）的輸出電壓彼此相差一定的相位角，通過幾個變壓器將各個三相逆變器的輸出電壓復合相加后輸出一個總逆變電壓，適當的設計各個變壓器的變比和付方電壓的連接方式，并安排各逆變器輸出電壓的相差角，就可以消除總的輸出電壓中的3、5、

51、7、11、13等低次諧波。圖4.26中的12階梯波可以用三個脈寬分別為、，高度分別為、和的矩形波疊加得到。利用式將三個矩形波的傅立葉級數展開，疊加后即可得到12階梯波的傅立葉技術表達式如下： 4.16 逆變電路多重化的優點是什么？答：多重化技術是通過將功率單元有機組合起來以提高裝置容量，通過將功率單元的輸出波形組合成適當的階梯波以改善輸出波形，同時又擴大了輸出電壓和電流。采用PWM調壓可以直接改變輸出電壓的大小，采用多重化結構可以在較低的開關頻率和較小的開關損耗下擴大變流器輸出電壓、功率。兩者結合在一起可以獲得更好的效果。4.17 圖4.29中二極管Da1、Da2起什么作用？如果直流電源電壓為

52、VD，斷態時開關器件所承受的電壓是多大？按式（4-56）的定義，三相三電平逆變器中12個開關器件的通、斷控制可以獲得多少個特定的電壓空間矢量？答：Da1、Da2用來可以形成1狀態，即該橋臂對中點O電壓為零。另外，在0、2態時，Da1、Da2還可以用來防止電容C1、C2被短路放電。由于分壓電容C1、C2的電壓各為/2，鉗位二極管Da1、Da2把開關器件的端電壓限制到/2，所以開關器件所承受的反壓最大是/2。A、B、C每個橋臂都有三種開關狀態，故整個三相三電平逆變器共有27種開關狀態。4.18 逆變器有哪些類型？其最基本的應用領域有哪些？答：逆變器的類型有：（1） 電壓型和電流型逆變器。（2） 恒

53、頻恒壓正弦波和方波逆變器，變頻變壓逆變器，高頻脈沖電壓（電流）逆變器。（3） 單相半橋、單相全橋、推挽式、三相橋式逆變器。（4） 自關斷換流逆變器，強迫關斷晶閘管逆變器。晶閘管逆變器可利用負載側交流電源電壓換流，負載反電動勢換流或負載諧振換流。逆變器的基本應用包括：交流電動機變頻調速，不停電電源UPS，電子鎮流器，中頻或高頻感應加熱電源等等。還可應用于電力系統作為無功補償器或諧波補償器。4.19 電壓型逆變器的輸出接上交流電源，是否可以通過適當的控制使交流能量向直流側流動？答：電壓型逆變器如果輸出接交流電源，是可以通過適當的控制實現交流能量向直流側流動的，因為電壓型逆變器中所使用的開關器件電流

54、可以雙向流動。第5章 復習題及思考題解答5.1 如何確定圖5.4（a）三相橋式不控整流電路中二極管何時導通何時關斷？整流器輸出電壓與三相交流相電壓、線電壓瞬時值有什么關系?整流器輸出電壓的瞬時值與三相交流相電壓、線電壓瞬時值有什么關系？解：共陰極的三個二極管，任意時刻都是與電壓最高的相連的二極管導通，共陽極的三個二極管，任意時刻都是與電壓最低的相連的二極管導通，因此整流電路總是把最大線電壓加到負載上。在一個電源周期Ts中，整流器輸出電壓波形由6個相同的脈波組成，這6個脈波是由三相交流線電壓（即兩相電壓之差）的瞬時值最大的部分組成的，每個脈寬600。在每個脈波里面，整流器輸出電壓的瞬時值等于線電

55、壓瞬時值。5.2單相橋全控整流有反電勢負載時輸出電壓波形如何確定？答：若整流電路中電感L0，則僅在電源電壓的瞬時值大于反電勢E時，晶閘管才會承受正向電壓，才可能觸發導通。在晶閘管導通期間，輸出整流電壓為相應的電源電壓瞬時值。時，晶閘管承受反壓阻斷。在晶閘管阻斷期間，負載端電壓保持為反電勢E。故整流電流斷流。若控制角小于（，稱為停止導電角），則負載端電壓一直保持為E；若大于，則在wtk至wtk期間載端電壓保持為E。若在負載回路中串聯足夠大的平波電抗器，使電流連續、晶閘管的導電角，則電流脈動減小。這時，整流電路輸出電壓波形是由控制角唯一對應的、依次為電源電壓的包絡線，其直流電壓平均值。若在負載回路

56、中串聯的平波電抗器不足以使電流連續，情況介于上述兩種情況之間。5.3 交流電路電感不為零時引起的換相重疊過程中整流器輸出電壓的瞬時值如何確定，在換相期間是什么因素促使負載電流從一個晶閘管向另一個晶閘管轉移？答：設換相前a相的Ta導電，Tb截止，這時（負載電流），整流電壓，換相后b相的Tb導電，換相結束后。如果，一旦Tb導通，Ta立即受反壓截止，負載電流立即從a相的Ta轉到b相的Tb，換相（或換流）過程瞬時完成。如果，由于電感的儲能不能突變為零，原來導電的A相電流不能從突降為零而必須經歷一個歷時（對應的相位角稱為換相重疊角）過渡過程。在此期間，Ta、Tb同時導通，a、b兩相電源經電感2LC短接狀態，若假定恒定，則 。 又 ，所以，即。上式說明，是作用在兩個換流電感上得電源電壓之差使得負載電流從一個晶閘管向另一個晶閘管（從Id降為零、從零上升到)；還可推得 。這說明整流電壓的瞬時值是參與換流的2相電源電壓的平均值。5.4 同一個整流電壓波形，時間坐標原點取在不同位置時用傅