电力电子技术-研究生

1、、填空题（每空 1 分，共 15 分） 1、 晶闸管导通的条件是 正向阳极电压、正向门极触发电流。 2、 电子器件据其能被控制信号所控制的程度，可分为三大类 ：不控型、半控型、 全控型。 3、 擎住电流是指晶闸管刚从 断态转入通态，移除触发信号使元件保持导通所需最 小阳极电流。 4、 绝缘栅晶体管（IGBT）是 GTR（或电力晶体管）和 MOSFET 或功率场效应管或电力场 效应管）的复合型器件。 5、 根据无源逆变器直流输入端接入滤波器的不同， 可分为 电压（或电压源）型逆变器 和 电流（或电流源）型逆变器,按电子开关的工作规律分，无源逆变器的基本类型为 180导电型 和 120导电型 。

2、6、 将一个不可控一直流电压变换为适合于负载要求的可控.直流电压的技术称为直流 斩波技术。 二、简答题（每题 5 分，共 30 分） 1、 全控型器件的缓冲电路的主要作用是什么试分析 RC 缓冲电路各元件的作用 （1）抑制电力电子器件内因过电压，du/dt 或过电流和 di/dt，减少器件的开关损耗。 C 限制关断时电压的上升，R 限制电流的大小。D 利用单向导电性,关断时起作 用。 2、 简述电压型逆变器和电流型逆变器主电路中每一桥臂的结构 ，并分析二极管的作用。 （1）电压型逆变器每个桥臂由电子开关和一个反并联的二极管组成， 二极管起续流作 (2) 电流型逆变器每个桥臂由电子开关串联一个二

3、极管组成，二极管确保每一个桥 臂的电流单方向流动。 3、 什么是逆变失败 如何防止逆变失败 (1)逆变运行时 ,一旦发生换流失败 ,外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路 , 或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联 , 由于逆变电路内阻很 小,形成很大的短路电流 , 称为逆变失败。 (2) 防止逆变失败的方法 : 采用精确可靠的触发电路 , 使用性能良好的晶闸管 , 保证 交流电流的质量 , 留出充足的换向裕量角等。 4、 什么是 IGBT 掣住效应它有什么危害 在额定集电极电流范围内，在 NPNt的基极与发射极之间的体内短路电阻 Rs 上 的偏压很小，对 NPNt无影响。 (2

4、) 如果集电极电流大到一定程度， Rs 上压降上升，相当于加一正偏电压，使 NPN 管导通， 进而使 NPNPNP 两晶体管同时处于饱和状态， 造成寄生晶闸管开通 IGBT 栅极失去控制作用，这就是所谓的掣住效应。 (3) IGBT 一旦发生掣住效应，器件将失控，集电极电流将增大，早成过高的功耗， 将导致器件损坏。另外，它还关系着 IGBT 的安全工作区的大小，在实际应用中 是需要引以重视的问题。 5、 简要说明锯齿波垂直移相触发电路中，控制电压、偏移电压各有什么作用 (1) 改变控制电压就可以改变触发脉冲产生的时刻，达到移相的目的。 (2) 设置偏移电压的目的是确定控制电压的初始相位。 6、

5、简述电力晶体管产生二次击穿的原因 当 GTR 的 C、E 极间施加的电压高于晶体管的电压的额定值时， GTR 的电流雪崩 式增加，呈现负阻特性，即出现一次击穿现象。 (2)若 GTR 出现一次击穿后继续增大外加反向电压 uce，反向电流将继续增大，元件 将会吸收足够的能量，其工作状态将以极快的速度移向负阻区，形成二次击穿， 结果是在纳秒或微秒时间内器件永久性损坏。 三、计算题(每题 15 分，共 30 分) 1、单相桥式全控整流电路为阻感负载，变压器次级电压有效值为 200V, L R， R 20 ， 60 。 (1) 求输出整流电压与电流平均值，晶闸管电流平均值与有效值。 绘制电路波形ud，

6、 id， uVT1。 解： (1)输出电压的平均值为：Ud 0.9U 2cos = X 200X cos60=90 V 输出电流的平均值为：人虫=A R 流过晶闸管的电流的平均值为：ldVT 5 = A 2 有效值为：I VT 电路波形如图A Ud A id d 0 2 t 2、三相半波可控整流电路为阻感负载， L R ,若变压器次级相电压有效值为 R 20 ， 60 。 (1 )计算输出整流电压与电流平均值。 选择晶闸管电压与电流定额。 绘制电路波形Ud，id。 解:100V, 0 卜d - 譬 2 t 输出整流电压为：Ud 1.17U2COS 在电路工作过程中，晶闸管承受的正、反向电压的最

7、大值为 .6U 2 =245V 考虑安全裕量，Ue (23)、6U2 = (490 735) V 流过晶闸管的电流的有效值为I VT 则晶闸管的电流定额为lTa (1.5 2)虹= (6.58.6)A 1.57 可以选用 KP10-8 型晶闸管。 波形如图。 电流平均值|d Ud Id 四、论述题(10 分) 试述实现有源逆变的条件，并说明有源逆变与无源逆变的异同。 实现有源逆变的条件可归纳如下： (1) 负载侧要有一个提供直流电能的直流电动势， 电动势极性对晶闸管而言为正向电 压，在整流回路交流电源电压为负期间，提供使晶闸管维持导通的条件。 交流装置必须工作在 区间，使变流器输出电压极性为负

8、，才能将直流功率逆 2 变为交流功率反送电网。 为了保证交流装置回路中的电流连续，逆变电路中一定要串联大电抗。 有源逆变是把工作在逆变状态的变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为 同频率的交流电反送到电网去。 而无源逆变是把变流器的交流侧不与电网连接，而直接接到负载，把直流电逆变为 某一频率或可调频率的交流电供给负载。 五、分析题(15 分) 画出升压式直流斩波器的电路拓扑，若电子开关采用全控型器件, (1) 推导电路的输出电压和输入电压的关系。 说明电子开关的控制方式。 说明电路的优缺点高 o 电路拓扑如图所示: （1）当电子开关 S 导通时，假设其导通时间为 DT,电感充电，二极管关

9、断，可以得到等 效电路为： 有下面关系，Vin VL 当电子开关 S 关断时，其时间为（1-D） T,电感放电，二极管导通，可以得到等效 电路为： 有下面关系，Vin VL Vout 。 由于在一个电子开关周期内，电感两端的电压的平均值为 0,因此可以得到, （2）电子开关采用脉冲宽度调制控制（即 PWM 方式，可以采用定频调宽方式，也可以 米用定宽调频，还可以米用调宽调频方式。 (3) 本电路的优点是输入电流波动较小；缺点是输出电流波动较大，只能实现电压的升 、填空题（每空 1 分，共 15 分） 1、 维持电流是指室温和门极断开时,元件维持通态所必需的 最小阳极 电流。 2、 全控型开关器

10、件：GTR IGBT, MOSFE 中属于电流型驱动的开关管有 GTR 属于电压 型驱动的开关管有 MOSFET、IGBT。 3、 有源逆变是将 直流电（直流电能）转化为和电网同频率的 交流电（交流电能）的过 程。 4、 无源逆变是将 直流电（直流电能）转化为负载所需要的 不同频率和电压值的交流 电（任意频率和电压值的交流电能）。 5、 斩波电路电力电子开关的控制方式主要有 定频调宽、定宽调频和调频调宽。 6、 对三相桥式整流电路,要保证晶闸管同时导通可采用以下两种触发方式 ：宽脉冲 或双窄脉冲触发脉冲。 7、 将一个不可控一直流电压变换为适合于负载要求的可控一直流电压的技术称为直流 斩波技术

11、。 二、简答题（每题 5 分，共 35 分） 1、为什么必须限制晶闸管的通态电流临界上升率 （di/dt） （6 分） （1） 晶闸管在开通过程中，刚开始导通时是从门极附近的微小区域开始的，尔后才 逐渐扩展到整个结面。 （分） （2） 如果电流上升得太快，热量来不及散发，容易在门极附近形成热点集中，烧坏 晶闸管，因此应当限制晶闸管的通态电流临界上升率。 （分） 2、什么是 IGBT 掣住效应它有什么危害 （6 分） 在额定集电极电流范围内，在 NPN 管的基极与发射极之间的体内短路电阻 Rs 上的 偏压很小，对 NPN 管无影响。（1 分） 如果集电极电流大到一定程度，Rs 上压降上升，相当于

12、加一正偏电压，使 NPNt 导通，进而使 NPN PNP 两晶体管同时处于饱和状态，造成寄生晶闸管开通 IGBT 栅极失去控制作用，这就是所谓的掣住效应。 （ 2 分） IGBT 一旦发生掣住效应，器件将失控，集电极电流将增大，早成过高的功耗，将 导致器件损坏。另外，它还关系着 IGBT的安全工作区的大小，在实际应用中是需 要引以重视的问题。 （ 2 分） 3、 简述电力晶体管产生二次击穿的原因。 （ 5 分） （1）当 GTR 的 C、E 极间施加的电压高于晶体管的电压的额定值时， GTR 的电流雪崩式 增加，呈现负阻特性，即出现一次击穿现象。 （ 2 分） 若 GTF 出现一次击穿后继续增

13、大外加反向电压 ，反向电流将继续增大，元件将 会吸收足够的能量，其工作状态将以极快的速度移向负阻区，形成二次击穿，结 果是在纳秒或微秒时间内器件永久性损坏。 （3 分） 4、 什么是逆变失败 如何防止逆变失败 （ 6 分） （1） 逆变运行时 ,一旦发生换流失败 ,外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路 , 或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联 , 由于逆变电路内阻很 小, 形成很大的短路电流 , 称为逆变失败。（2 分） （2） 防止逆变失败的方法 : 采用精确可靠的触发电路 , 使用性能良好的晶闸管 , 保证交 流电流的质量 ,留出充足的换向裕量角等。 （3 分） 5、 根

14、据逆变器直流输入端接入滤波器的不同 , 无源逆变器的基本类型是什么各有何特 点（ 5 分） (1) 根据逆变器直流输入端接入滤波器的不同 , 无源逆变器的基本类型可以分为电压 型逆变器和电流型逆变器。 ( 1 分) (2) 电压型逆变器中间直流环节为一大电容，逆变器输入侧近似为电压源； (2 分) (3) 电流型逆变器中间直流环节为一大电感，逆变器输入侧近似为电流源。 (2 分) 6、 解释单相半控桥式电路的自然续流现象和失控现象，怎样避免 ( 5 分) (1) 在单相半控桥式电路带阻感性负载时，由于晶闸管是可控导通，而二极管是自然 换相的，会出现在电源电压改变方向时，晶闸管由于电感储能继续导

15、通，同一相 的二极管自然导通，形成负载自然续流的现象。 分) (2) 失控现象是指在运行中， 采用切除触发脉冲的方式使主电路阻断时， 桥式半控整 流电路可以发生原导通的 1 只晶闸管维持导通， 2 只二极管正负半周交替导通的 异常现象。可以通过在负载两端反并联一个续流二极管来消除自然续流现象，避 免失控现象的发生。 分) 7、电力电子电路的基本类型有哪几种各自实现什么电能变换 ( 5 分) (1) 整流器(或交流(AC)/直流(DC)整流电路)：是用于将交流电能变换为直流电能的 变换器。 (1 分 ) (2) 逆变器(或直流(DC) /交流(AC)逆变电路)：是用于将直流电能变换为交流电能的

16、变换器。 (1 分 ) (3) 斩波器(或直流(DC)/直流(DC)电压变换电路)：是用于将直流电压变换为可调的 或稳定的直流电压的变换器。 (1 分) 交流调压器(或交流(AC)/交流(AC)电压变换电路)：是用于将交流电源电压变换 为可调的或稳定的交流电压的变换器。周波变换器 (或交流(AC)/交流(AC)电压 和/或频率变换电路 )：是用于将一定频率和电压的交流电能变换为频率、 电压 (2 分) 三、计算题（每题 15 分，共 30 分） 1、一阻感负载，L R，电源电压有效值为 220V,采用单相桥式全控整流电路，最 小控制角为 min 30，要求调压范围为 20V50V,电压最高时，

17、电流Id 10A。 （1） 选择整流变压器和晶闸管元件定额。 （2） 绘制控制角 60 时的电路波形Ud，id，UVT1。 解： 最小控制角对应于输出电压的最大值，所以有， （1 分） 在电路工作过程中，晶闸管承受的正、反向电压的最大值为 ,2U2=， 考虑安全裕量，Ue （23）、.2U2=（181.4 272.2） V。（2 分） ITa （1.52） = （6.89.0）A。（3 分） 1.57 dmax 0.9U 2cos min U2 d max 0.9cos min 50 = 0.9* . 3/2 （3 分） 流过晶闸管的电流的有效值为 IVT 12Id 则晶闸管的电流定额为 （2

18、 分）t * id d It a. 0 2 t （2 分） 2、三相桥式全控整流电路为阻感负载， L R ,若变压器次级相电压有效值为 R 20 ， 60 。 （1） 计算输出整流电压与电流平均值。 （2） 求晶闸管电流的平均值与有效值。 （3） 绘制电路波形ud， id。 解： 三相桥式全控整流电路为阻感负载， L R，若变压器次级相电压有效值为 R 20 ， 60 。 （2 分） 250V, 250V, （1）计算输出整流电压与电流平均值。 (2) 求晶闸管电流的平均值与有效值。 (3) 绘制电路波形ud , id , uVT1。 (1)输出整流电压为：Ud 2.34U 2 cos =,

19、电流平均值Id瞥。(5分) (2)流过晶闸管的电流的平均值为: 1 dVT 牛,有效值为IVT I d =。（ 4 分） (3) 波形如图。(4分) d 0 2 t 四、分析题(每题 10 分，共 20 分) 1、画出降压式直流斩波器的电路拓扑，若电子开关采用全控型器件, I Vin （3 分） （1）工作原理：当电子开关 S 导通时，二极管 VD 截止，电感储存能量，电源向负载 供电；设电子开关 S 导通的时间为 Ton,其占空比为 D=Ton/T.等效电路为： 当电子开关 S 截止时，二极管 VD 导通，电感释放能量，向负载供电。等效电路为: 有下面关系，VL = Vout （1）推导电路

20、的输出电压和输入电压的关系 （2） 说明电路的优缺点。 答：电路拓扑如图所示。 降压式直流斩波器的电路拓扑为, 有下面关系，Vin VL +VOut （2 分） * U O VT （2 根据电感两端的电压在一个周期内的平均值为 0，列写电路方程可以得到输入/输出之 间的关系为：Vout=DVi n. （ 1 分） (3) 本电路的优点是：结构简单，输出侧的电流是连续的。 本电路的缺点是：输入侧的电流是断续的，只能实现降压式变换。 导电型, (1) 说明逆变电路的换流顺序。 答：电压逆变器结构如下图。 每个开关管在每个周期中导通 180。换相在同一桥臂的 （2 分） 2、画出三相桥式电压型逆变器

21、的主电路拓扑, 若电子开关均采用全控型器件,采用 180 (2)说明逆变电路开关管的导通顺序(每 60区间的导通管号)。 (1)180 导电型逆变电路, 上、下两个开关管之间进行。 在任意时刻，有三个不同相的开关导通。换流顺序为每 电路拓扑如上 次在同一桥臂的 VT1 和 VT4, VT3 和 VT6, VT5 和 VT2,每对管各自间隔 180 换相一 次。（3 分） (2) 每 60 区间的导通管号为 VT5 VT6 VTLVT6 VT1、VTMVT1、VT2 VTAVT2、 VT3 VTgVT3 VT4 VTAVT4 VT5 VT6-VT5 VT6 VT1。(3 分) 、问答题（每题 5

22、 分，共 40 分） 1、 根据开关特性，电力电子器件可以划分为哪几类说明其特点，并举例说明。 根据开关特性，电力电子器件可以划分为不控型器件，如功率二极管，导通和关断均 不可控（1 分）；半控型器件，如普通晶闸管及其派生器件，导通可以控制，而关断不 可以控制（2分）；全控型器件，如 GTR,MOSFET,IGB 等，导通和关断均可以控制。（2 分） 2、 非正弦周期电量的平均值和有效值的定义是什么分别用数学语言来说明。 非正弦周期电量的平均值指其在一个周期内的积分除以其周期，即其直流分量。用数 T T 学语言描述为：Ud udt， I d idt等。（2 分） d T o d T 非正弦周期

23、电量的有效值指其方均根值，即瞬时值的平方在一个周期内的积分除以其 周期，然后再开平方。用数学语言描述为： U . 1 : u2dt，I , 1 :i2dt等。（3 分） 3、 分别说明晶闸管的维持电流 IH和掣住电流 IL的定义。 晶闸管的维持电流 IH指维持晶闸管导通状态所需要的最小的阳极电流；（3 分）掣住电 流 I L 指晶闸管刚由断态转为通态，使晶闸管稳定导通所需要的最小阳极电流。 （2 分） 4、为什么必须限制晶闸管的通态电流临界上升率 （di/dt） 晶闸管在开通过程中，刚开始导通时是从门极附近的微小区域开始的，尔后才逐渐扩 展到整个结面。（2 分）如果电流上升得太快，热量来不及散

24、发，容易在门极附近形成 热点集中，烧坏晶闸管，因此应当限制晶闸管的通态电流临界上升率。 （3 分） 5、 MOSFE 具有什么特点 具有开关速度快， 温度稳定好， 输入阻抗高、 驱动功率小， 通态压降大等特点。（3 分） 特别是其通态电阻具有正的温度系数， 有利于采用多元集成结构和器件的并联。 （2 分） 6、 半控整流电路、带续流二极管的整流回路为什么不能实现有源逆变 这些电路不可能输出负的电压， （3 分）也不允许在输出端接入与整流状态相反极性的 电动势，不可能实现有源逆变工作状态。 （2 分） 7、 变频器的工作原理是什么 通过控制不同电力电子开关周期性的交替开关动作， 负载可以得到交变

25、的电压、 电流， （3 分）而输出电压、电流的频率由电子开关的切换周期确定。 （2 分） 8、 按电子开关的工作规律分，变频器中逆变器的基本类型是什么各有何特点 按电子开关的工作规律分，变频器中逆变器可以分成 180 导电型和 120 导电型两种类 型。（2 分）前者在任一时刻， 逆变桥有三个电子开关导通， 每一相一个， 每个周期中 每个开关导通 180 ； （2 分）后者在任一时刻，逆变桥有两个电子开关导通，上面的三 个开关中有一个导通， 下面的三个开关中有一个导通， 每个周期中每个开关导通 120 。 （1 分） 二、计算题（ 15 分） 一阻感负载，3 LR,电源电压有效值为 220V,

26、采用单相桥式全控整流电路，最小控 制角为min 30，要求调压范围为 50V80V,电压最高时，电流Id 10A。选择整流 变压器和晶闸管元件定额。 解： 一阻感负载，3 LR,电源电压有效值为 220V,采用单相桥式全控整流电路，最小控 制角为min 30，要求调压范围为 50V80V,电压最高时，电流Id 10A。选择整流 变压器和晶闸管元件定额 最小控制角对应于输出电压的最大值，所以有，Ud max （4 分） 在电路工作过程中，晶闸管承受的正、反向电压的最大值为 .2U2=，考虑安全裕量, Ue (2 3)、2U2 =(290.3 435.5) V。(4 分) ITa (1.52)亠=

27、(6.89.0)人。(4 分) 1.57 可以选用 KP10-4 型晶闸管。(3 分) 三、计算题(15 分) 三相半波可控整流电路为阻感负载，3 LR,若变压器次级相电压有效值为 100V, R 20 , 60 。 (1) 计算输出整流电压与电流平均值。 (2) 选择晶闸管电压与电流定额。 (3) 绘制电路波形ud , id , uVT1。 解: 0.9U2 cos U2 dmax 0.9cos min 80 0.9* .3/2 =,取为 103V,因此整流变压器的原副边匝比约为 11： 5。 流过晶闸管的电流的有效值为 IVT 则晶闸管的电流定额为 三相半波可控整流电路为阻感负载，3 LR,若变压器次级相电压有效值为 100V, 60 (1) 计算输出整流电压与电流平均值。 (2) 选择晶闸管电压与电流定额。 (3) 绘制电路波形ud , id , uVT1。 (1