电力电子技术第3版南余荣习题答案

电力电子技术第3版南余荣习题答案0绪论0-1．什么是电力电子技术？答：电力电子技术是应用于电力技术领域中的电子技术；它是以利用大功率电子器件对能量进行变换和控制为主要内容的技术。国际电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会对电力电子技术的定义为：“有效地使用电力半导体器件、应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。”0-2．电力电子技术的基础与核心分别是什么？答：电力电子技术的基础是电力电子器件，电力电子技术的核心是能量变换技术，并随着变换电路和控制技术的发展而发展的。0-3．请列举电力电子技术的3个主要应用领域。答：电力电子技术的主要应用领域有：①电源装置；②电源电网净化设备；③电机调速系统；④电能传输和电力控制；⑤新能源开发和新蓄能系统；⑥照明及其它。0-4．电能变换电路有哪几种形式？其常用基本控制方式有哪3种类型？答：电能变换电路有4种基本形式：1）交流-直流变换电路（或称AC-DC整流电路），功能为将交流电能变换成直流电能；2）直流-交流变换电路（或称DC-AC逆变电路），功能为将直流电能变换成交流电能；3）交流-交流变换电路（或称AC-AC交流变换电路），功能为将一种交流电压或频率变换到另一种交流电压或频率；4）直流-直流变换电路（或称DC-DC直流变换电路），功能为将一种直流电压变换成另一种幅值或极性不同的直流电压。常用基本控制方式主要有以下3种类型：1）相控方式：用于交流电源的电力变换器，如可控整流器、有源逆变器、交流调压器、周波变换器等。在该控制方式下，控制信号的变化结果体现为触发脉冲的移相。2）频控方式：用于由直流电源供电的无源逆变器。在该控制方式下，控制信号的变化结果体现为控制脉冲频率的变化。3）斩控方式：用于斩波器和采用脉宽调制PWM的变换器。在该控制方式下，控制信号的变化结果体现为变流器件导通时间和关断时间比值的变化。上述均为单一控制方式，实际中也可以配合应用。例如，周波变换器为相控和频控两种控制方式的配合应用，脉宽调制逆变器为频控和斩控两种控制方式的配合应用。0-5．请列举2个我国本世纪在电力电子器件研究方面取得的成果。答：我国在电力电子器件研究方面取得了许多成果，比如，2006年我国株洲中车电气成功研制出世界上第一只6英寸8500V商用高压直流输电HVDC晶闸管；2009年我国成功投运世界首个±800kV高压直流输电工程——云南至广东直流工程；2013年我国许继集团研制出世界首个额定电流6250A的特高压直流输电换流阀组件；2017年我国研制出世界首套±1100kV/5500A换流阀样机；在2020年之后的几年间，我国在高压与中低压碳化硅SiC器件研究方面均取得了长足进步，中低压碳化硅SiC器件已在电动汽车中得以应用。0-6．从发展过程看，电力电子器件可分为哪几个阶段？简述各阶段的主要标志。答：如果以电力电子技术器件的发展为主线，可以把它分为3个主要发展阶段，即1）“晶闸管及其应用”，主要标志为晶闸管；2）“自关断器件及其应用”，主要标志为可关断晶闸管GTO、大功率（巨型）晶体管GTR、功率场效应晶体管PowerMOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT等；3）“功率集成电路和智能功率器件及其应用”，主要标志为功率集成电路PIC和智能功率模块IPM。0-7．传统电力电子技术与现代电力电子技术各自特征是什么？答：传统电力电子技术的特征：电力电子器件以半控型晶闸管为主，变流电路一般为相控型，控制技术多采用模拟控制方式。现代电力电子技术特征：电力电子器件以全控型器件为主，变流电路采用脉宽调制型，控制技术采用PWM数字控制技术。0-8．电力电子技术的发展方向是什么？答：电力电子技术的发展方向概括为以下几个方面：①新器件；②高频化与高效率；③集成化与模块化；④数字化；⑤绿色化。

第1章电力电子器件1-1．按可控性分类，电力电子器件分哪几类？答：按可控性分类，电力电子器件分为不可控器件、半控器件和全控器件。1-2．电力二极管有哪些类型？各类型电力二极管的反向恢复时间大约为多少?答：电力二极管类型以及反向恢复时间如下：1）普通二极管，反向恢复时间在5以上。2）快恢复二极管，反向恢复时间在5以下。快恢复极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者在100以下，甚至达到20~30ns，多用于高频整流和逆变电路中。3）肖特基二极管，反向恢复时间为10～40。1-3．在哪些情况下，晶闸管可以从断态转变为通态?维持晶闸管导通的条件是什么？答：晶闸管同时承受正向阳极电压并在门极施加触发电流（脉冲）时晶闸管才能导通，两者缺一不可。在两者条件都具备情况下，晶闸管可以从断态转变为通态。维持导通的条件：使流过晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。1-4．已处于通态的晶闸管，撤除其驱动电流为什么不能关断，怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：已处于通态的晶闸管在内部已形成强烈的正反馈，即使撤去其驱动电流，会仍然维持导通的状态。因此晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极的电压和驱动电流对管子随后的导通或关断均不起作用。要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。1-5．图1-35中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算：1）各电流波形的电流有效值、、，电流平均值、、和它们的波形系数,,；2）如果不考虑安全裕量，额定通态平均电流100A的晶闸管对应这些波形电流最大值分别为多少?3）这时，能送出的平均电流分别为多少？。图1-35晶闸管导电波形解：1)2）额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，允许的电流有效值I=157A，3）由上题计算结果知，由公式可得1-6．根据GTO的关断原理，说明：GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够通过门极控制关断，而普通晶闸管不能？答：GTO之所以能够自行关断，而普通晶闸管不能，是因为GTO与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：1）在设计GTO时使其较大，这样，晶体管控制灵敏，使GTO容易关断。2）由于GTO的内部包含着许多共阳极的小GTO单元，GTO元阴极面积小，门极和阴极间的距离短，基区的横向电阻小，可以从门极抽出更大的电流。3）GTO导通时，双晶体管模型中的2个晶体管共基极电流放大倍数之和大于1且近似等于1（1.05左右），因而处于临界饱和导通状态，若要关断GTO，可用抽出部分阳极电流的办法破坏其临界饱和状态，使GTO用门板负信号关断。SCR的比1大（大约为1.15），SCR导通后处于深度饱和状态，因而用门极负脉冲不足以使达到小于1的程度，因而也就不能用门极负信号去关断阳极电流。这是GTO与SCR的一个极为重要的区别。1-7．关于GTR，请回答如下两个问题：1）描述GTR的二次击穿特性。2）为什么GTR在开关瞬变过程中易被击穿?有什么预防措施?答：1）当GTR集射极间的电压升高至击穿电压时，发生一次击穿，此时集电极电流急速增加，如果有外接电阻限制集电极电流的增长，一般不会引起晶体管特性变坏；一次击穿发生时，如果对集电极电流不加限制，集电极电流继续增加，集射极间的电压陡降，就会导致破坏性的二次击穿。所以，二次击穿是在器件发生一次击穿后，在某电压和电流点产生向低阻抗区高速移动的负阻现象。2）GTR的安全工作区较窄，当GTR在工作过程中所承受的电压电流都较大时，超出安全工作区域，那么GTR在开关瞬变过程中易被击穿。预防措施就是加辅助电路，确保GTR所承受的电压电流在安全工作区域之内。1-8．如何防止电力MOSFET因静电感应应起的损坏？答：电力MOSFET的栅极绝缘层很薄弱，容易被击穿而损坏。MOSFET的输入电容是低泄漏电容，当栅极开路时极易受静电干扰而充上超过20V的击穿电压，所以为防止MOSFET因静电感应而引起的损坏，应注意以下几点：1）一般在不用时将其三个电极短接。2）装配时人体、工作台、电烙铁必须接地，测试时所有仪器外壳必须接地。3）电路中，栅、源极间常并联齐纳二极管以防止电压过高。4）漏、源极间也要采取缓冲电路等措施吸收过电压。1-9．电力MOSFET最高开关频率比IGBT更高的原因是什么？答：电力MOSFET是单极性器件，其导通与关断受栅极电压控制，没有少数载流子储存现象，开关速度快。IGBT是复合型器件，IGBT中存在双极性PNP晶体管，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少数载流子储存现象，影响了开关速度。因而IGBT的开关速度低于电力场效应管，或者说，电力MOSFET最高开关频率比IGBT更高。1-10．比较电力MOSFET与IGBT内部结构，说明电力MOSFET在开关特性上的优点。答：内部结构相似之处：IGBT内部结构包含了MOSFET内部结构。内部结构不同之处：IGBT内部结构有注入P区，MOSFET内部结构则无注入P区。开关特性的相似之处：IGBT开关大部分时间由MOSFET运行，特性相似。开关特性的不同之处：IGBT的注入P区有电导调制效应，有少子储存现象，开关慢，所以，电力MOSFET开关速度快。1-11．作为开关使用时，IGBT有哪些优点？答：IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身，既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型，又具有通态压降低，高电压、大电流的优点。1-12．什么是IGBT的擎住现象？使用中如何避免？答：IGBT由于寄生晶闸管的影响，可能是集电极电流过大（静态擎住效应），也可能是过大（动态擎住效应），会产生不可控的擎住效应，实际应用中应使IGBT的漏极电流不超过额定电流，或增加控制极上所接电阻的数值，减小关断时的，以避免出现擎住现象。1-13．试说明IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET各自的优缺点。对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较如下表：器件优点缺点IGBT开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电力MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置1-14．试分析电力电子集成技术可以带来哪些益处。智能功率模块与功率集成电路实现集成的思路有何不同？答：带来的益处：装置体积减小、可靠性提高、使用方便、维护成本低。智能功率模块与功率集成电路实现集成的思路的不同：前者是将一系列的器件集成为一个模块来使用（封装集成），而后者则是将所有的东西都集成于一个芯片当中（芯片集成）。1-15．查阅资料，简要说明IGCT在工作特点上与GTO、IGBT的相似之处。IGCT与GTO、IGBT相比，有以下几个特点：1）保留了GTO阻断电压高（6kV），导通电流大（6kA）的优点。2）在相同运行功率条件下，开关频率比GTO更高，可达到1kHz，开关损耗降低，约为GTO的一半。3）由于采用了很薄的缓冲层和可穿透发射区结构，所以通态压降小，通态损耗几乎可以忽略不计，有利于器件的保护。4）GTO关断时需要一个庞大的缓冲电路。而IGCT可承受很大的du/dt的冲击，无需缓冲电路，逆变器结构设计的比IGBT还要简单，与传统的GTO相比，元器件数减少一半以上，系统更加简单、可靠。5）器件与器件之间的开关过程一致性好，所以，可以容易地实现IGCT的串、并联，扩大其功率使用范围。6）电压等级高于IGBT，现有IGCT的电压等级为4.5kV和6kV。1-16．请说出3种硅材料制成的电流控制电力电子器件、3种硅材料制成的电压控制电力电子器件和3种碳化硅材料制成的电力电子器件。答：硅材料制成的电流控制器件：SCR、GTO、GTR。硅材料制成的电压控制器件：MOSFET、IGBT、IGCT、IEGT、SIT、SITH、MCT。碳化硅材料制成的电力电子器件：二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT都已经有对应的碳化硅产品。

第2章电力电子器件的驱动与保护2-1．电力电子器件的驱动电路对整个电力电子装置影响有哪些？答：采用性能良好的驱动电路，可以使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，減少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。2-2．驱动电路的基本任务有哪些？答：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。除此之外，驱动电路一般还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。2-3．为什么要对电力电子主电路和控制电路进行电气隔离？其基本方法有哪些？答：对电力电子主电路和控制电路进行电气隔离可以提高电力电子装置的安全使用，同时防止主电路和控制电路之间的干扰，其基本方法有光隔离、磁隔离。2-4．由晶闸管构成的主电路对触发脉冲有哪些要求?答：由晶闸管构成的主电路对触发脉冲要求有：1）触发信号应有足够大的功率；2）触发脉冲的同步及移相范围；3）触发脉冲信号应有足够的宽度,且前沿要陡；4）为使并联晶闸管元件能同时导通，触发电路应能产生强触发脉沖；5）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。2-5．试分析图2-3（b）磁耦合隔离型晶闸管触发电路。答：VT2、VT3构成脉冲放大环节，脉冲变压器TR和附属电路构成脉冲输出环节。当控制系统发出的高电平驱动信号加至晶体管放大器后，VT2、VT3导通，通过脉冲变压器输出电圧经VD2输出脉冲电流，向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。该电路输入信号的脉冲宽度由控制电路限定，电路本身不具有脉冲宽度限制功能。当控制系统发出的驱动信号为低电平时，VT2、VT3截止，脉冲变压器同名端电位低，副边无输出能量，TR脉冲变压器内部激磁电流通过VD1、续流，电流迅速降为零，防止变压器磁饱和。2-6．说明电力场效应晶体管栅极驱动电路的一般要求。答：栅极驱动电路的一般要求有：1）为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。2）开通时栅源极驱动电压一般取10～15V。3）在关断时，要求施加一定幅值的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。4）在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2-7．试分析图2-8的MOSFET驱动电路工作原理。答：当输入信号为0时，光电耦合器截止，高速比较器A输出低电平，三极管导通，驱动电路约输出驱动电压，使电力场效应管关断。当输入信号为正时，光耦导通，比较器A输出高电平，三极管VT2导通，驱动电路约输出电压，使电力场效应管导通。2-8．IGBT、GTR和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点？答：IGBT驱动电路的特点是：驱动电路具有较小的输出电阻，IGBT是电压驱动型器件，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。GTR驱动电路的特点是：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗，关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。电力MOSFET驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。2-9．电力电子器件过电压产生的原因有哪些？答：电力电子器件过电压产生的原因有外因和内因2方面，外因包括操作过电压和雷击过电压；内因包括换相过电压和关断过电压。2-10．发生过电流的原因有哪些?答：当晶闸管变流装置内部某一器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障，外部出现过载重载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等状况时，均可引起装置其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。2-11．电力电子器件过电压保护和过电流保护各有哪些主要方法？答：过电压保护主要方法有避雷器过电压抑制、各种RC过电压抑制、非线性元件过电压抑制等方法。过电流保护主要方法有电路过流保护、快速熔断器过流保护、快速断路器过流保护和过流继电器过流保护等方法。2-12．电力电子器件过热保护有哪些主要方法？答：电力电子器件过热保护主要方法有：1）降低损耗。2）减小热阻。1）一方面减小接触热阻。2）另一方面减小散热器热阻。3）加强散热。电力电子装置常用冷却方式分为四种：自冷、风冷、液冷和沸腾冷却。2-13．电力电子器件缓冲电路是怎样分类的？全控器件缓冲电路的主要作用是什么？试分析RCD缓冲电路中各元件的作用。答：电力电子器件缓冲电路有不同的分类方法。缓冲电路又称为吸收电路，通常可以分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为du/dt抑制电路，开通缓冲电路又称为di/dt抑制电路。将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，称为复合缓冲电路。还可以分类方法：缓冲电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，则被称为耗能式缓冲电路；如果缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或者电源，则被称为馈能式缓冲电路，或称为无损吸收电路。全控器件缓冲电路分为关断、开通缓冲电路。全控器件关断缓冲电路的主要作用是抑制过电压或du/dt,全控器件开通缓冲电路的主要作用是抑制过电流或di/dt。RCD缓冲电路中电阻R的作用是为电容C提供释放能量的通路并消耗C上的能量，二极管D的作用是在器件关断、电压上升时，使器件电压嵌位在电容C上的电压，电容C的作用是在器件关断时抑制过电压和du/dt。2-14．某GTR开关构成的降压电路，如图2-18a）所示，负载为电阻电感并有续流二极管，电阻RL=15Ω，电感极大，输入电源电压为320V，负载两端平均电压在8～90V范围内可调节，开关频率为2kHz。已知功率管最小开通时间为0.0125ms，GTR额定电压为650V，额定电流为30A，关断时电流下降时间=180ns，请设计耗能式关断缓冲电路RDC参数。解：由于负载为电阻电感并有续流二极管，电感极大，GTR在工作时承受的最大电压等于输入电源电压300V，若不考虑缓冲电路电容的放电电流，GTR开通后通过的最大集电极电流与负载电流相同，则GTR关断时电流下降时间=180ns，根据，，则取电容=2.2nF，耐压取实际承受最大电压1.1～1.5倍即可，取400V。由于=0.0125ms，根据，，则取。GTR开关周期为0.5ms，开关频率为2kHZ，则=0.225W实际电阻功率应取计算值的3～4倍以上，取1W。例题中没有给出该GTR在有限短时间内脉冲集电极最大峰值电流，但肯定大于额定电流15A。由于电容放电电流最大值为==0.2A，考虑缓冲电路电容的放电电流时，通过GTR电流=6+0.2=6.2A<15A符合，校验成立，符合GTR参数要求。二极管的额定电流按不小于功率管额定电流1/10选取，最后选用二极管的额定电流为5A，额定电压与GTR额定电压相同，取650V左右，常用电压等级有600V和800V，故二极管选用5A/800V快速恢复二极管。2-14．在高压变流装置中，晶闸管串联使用以提高耐压，其均压措施有哪些？答：晶闸管串联运行时应有相应的均压措施，均压包含静态和动态。静态均压措施包括：选用参数和特性尽量一致的器件；采用电阻均压，的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。动态均压措施包括：选择动态参数和特性尽量一致的器件；用并联支路作动态均压；还有采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。2-15．电力MOSFT、NPT型IGBT易于并联使用的原因是什么?并联使用时还应注意哪些事项？答：MOSFET或IGBT并联使用时，多个管子型号、厂家一致，连线尽量做到一致，同时主回路各模块布线电阻和电感一致。即使这样，n个相同等级的模块并联时，允许的电流应小于（为额定值），因为每个开关管之间的电流不可能完全均衡，所以，应适当降低允许值。2-16．电力MOSFT、NPT型IGBT易于并联使用的原因是什么？并联使用时还应注意哪些事项？答：对于MOSFET这样的器件，由于它的导通电阻具有正温度系数，随着温度的升高，导通电阻增大，饱和导通压降增加，因此可以将两个或多个器件直接并联。对于NPT型IGBT，通态压降具有正温度系数，可以多个管子并联使用。MOSFET或IGBT并联使用时，应注意：尽量使多个管子型号、厂家一致，连线尽量做到一致，同时主回路各模块布线电阻和电感一致。即使这样，n个相同等级的模块并联时，允许的电流应小于（为单个功率管的电流额定值），因为每个开关管之间的电流不可能完全均衡，所以，应适当降低允许值。2-17．分别说明电力二极管SR和门极可关断晶闸管GTO并联使用时的均流措施。答：电力二极管SR并联运行时，一是挑选性能相同的器件，二是采用串联电感或相互耦合的电抗器来强迫并联器件均流，但电力二极管没有控制极，不需要触发，所以电力二极管SR的并联使用时，更加简单。门极可关断晶闸管GTO的并联均流措施跟晶闸管SCR是一样的。均流可用3种方法：①严格挑选并联连接的器件，使它们具有十分相近的正向通态特性；②通过串联电阻、也可以通过串联电感或相互耦合的电抗器来强迫并联器件均流；③采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异，关断时驱动电压下降沿要陡，且具有较大的灌电流能力。

第3章直流-直流变换技术3-1．时间比控制有哪三种控制方式？答：时间比控制主要有脉冲频率调制（PFM）、脉冲宽度调制（PulseWidthModulation-PWM）及混合调制三种控制方式。3-2．试述脉冲宽度调制（PWM）基本原理。答：脉宽调制是目前电能变换中最重要的变换技术，其基本原理内容为：冲量相等而形状不同的PWM波（或窄脉冲）加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。3-3．结合原理图，简述降压斩波电路的工作原理。答：降压斩波器的原理是：根据教材降压斩波电路原理图，在一个控制周期中，让VT导通一段时间，由电源E向L、R供电，在此期间，。然后使VT关断一段时间，此时电感L通过二极管D向负载R供电，。一个周期内的平均电压。输出电压小于电源电压，起到降压的作用。3-4．在图3-2所示的降压斩波电路中，已知=100V，L=2mH，C=330µF，采用脉宽调制控制方式，电路在CCM模式下工作，当=40µs，=20µs时，输出平均电流=1A，计算：1）输出电压的平均值；2）电感上电流纹波；3）输出电压纹波比。解：1）由于稳态时电感元件满足伏秒平衡律，电感元件的平均电压为0，故稳态时输出电压与的电压平均值相等，即2）稳态时电感电流纹波（峰峰值）为：3）输出电压纹波比3-5．一个降压斩波电路，欲通过占空比控制保持输出电压=8V恒定，并希望输出功率≥8W，斩波频率20kHz，试计算电源电压从16～48V范围内，为保持变换器工作在电流连续导通模式下所需的最小电感。解：由可得。临界连续时，，则，则最小电感3-6．有一个开关频率为50kHz的降压变换电路工作在电感电流连续的情况下，L=0.2mH，输入电压=36V，输出电压=15V。1）求占空比的大小；2）求电感中电流的峰峰值；3）若允许输出电压的纹波，求滤波电容C的最小值。解：1）电流连续，占空比2）开关周期(A)3）根据可得电容最小值C=7.29µF3-7．一个降压斩波电路，滤波元件参数为L=2mH，C=330µF。希望=12V，斩波频率为25kHz。电路在CCM模式下工作，若=25V，输出电流平均值=0.3A，试计算：1）输出电压纹波（峰·峰值）；2）电感上纹波电流。解：1）占空比电压纹波：2）电感上纹波电流3-8．结合原理图，简述升压斩波电路的基本原理。答：如下图，电路的基本原理是：①设开关管VT由信号控制，当为高电平时，开关管VT导通，，电感L承受的电压极性为左正右负，增加，电感L储能增加，二极管VD截止，负载由电容C供电；②当为低电平时，开关管VT关断，因电感电流不能突变，通过二极管VD向电容、负载供电，电感储能传递到电容和负载侧，此时，减少，电感L感应电势＜0，故＞。3-9．一个升压斩波电路，已知=30V，L值和C值极大，负载=20Ω，采用脉宽调制控制方式，当=20µs，=12µs时，计算输出电压平均值，输出电流平均值。解：L值和C值极大，电流连续。由稳态时电感元件的伏秒平衡规律得：输出电流平均值为：3-10．一个升压斩波电路，滤波电容C=470µF。希望输出电压=24V，输出功率≥12W，试计算电源电压为10～15V，当=20µs时，使变流器工作在连续导通模式下所需最小电感。解：由可得，所以根据临界电流连续时由于输出电压、电流恒定，引用或推导用、表示的公式，则临界电流连续时对求导，L极值出现在=1/3处，然后随着增大L值减小，要保证电流连续，所以取，则3-11．一个升压斩波电路，滤波元件为L=2mH，C=470µF，已知=24V，=36V，=0.5A，电感最小电流，斩波频率为25kHz.试计算：（1）电感电流最小值；（2）输出电压纹波（峰·峰值）解：（1）由可得，。已知Io=0.5A，先计算输入（电感）平均电流，根据，再计算电感纹波---（2）判断电感电流最小值是不是大于负载电流，，可以利用公式计算输出电压纹波。输出最大电压纹波（峰·峰值）：-3.12．分别简述Boost-Buck变换电路与Cúk变换电路的工作原理，并比较它们的异同点。答：升降压斩波电路的基本原理：负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。改变导通比，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0<<1/2时为降压，当1/2<<1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。Cuk斩波电路的基本原理：①当控制信号使开关管VT导通时，电源向电感输送能量，电感电流上升，储能增加。导通时间越长，中储能增加越多。同时，电容中储能通过开关管VT给负载侧的电阻、电容、电感释放能量，二极管VD截止。所以开关管VT导通时，有两个导电回路，一是电源正端、电感、开关管VT、电源负端；另一个是电容、开关管VT、负载并联电容、电感、电容。②当控制信号使VT截止时，电感中电流流经电容和二极管VD，即此时向电容充电，二极管VD导通，电源、电感储能同时向传递能量，同时，输出电压靠滤波电容与电感基本维持不变。显然，控制VT导通与关断的比例，即可控制向传递能量的多少，从而可控制输出电压的大小。所以开关管VT截止时，有两个导电回路：一个是电源正端、电感、电容、二极管VD、电源负端；另一个是电感、二极管VD、负载并联电容、电感。输出电压的极性与电源电压极性相反。两个电路实现的功能是一致的，均可方便的实现升降压斩波。与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。3-13．一个理想的Boost-Buck变换电路，若斩波频率为25kHz；从8V变化至36V，希望保持=15V，电流连续，试计算占空比范围。解：由电感元件稳态时伏秒平衡规律，可导出可求得3.14．分别简述Sepic变换电路与Zeta变换电路的工作原理，并写出输入输出电压关系。答：Sepic变换电路由由电感和、电容、开关管VT、二极管VD、输出侧电容和负载R、输入电源构成。当VT处于通态时，、、VT构成一个回路，、VT、也构成一个回路，两个回路同时导电，和储能，使通过电感的电流上升。当VT处于断态时，、、、VD、负载构成一个回路，、VD、负载也构成一个回路，两个回路同时导电，此阶段通过既向负载供电，同时也向充电。其中，上储存的能量在VT处于导通时向转移。输入输出关系：Zata斩波电路由电感和、电容、开关管VT、二极管VD、输出侧电容和负载R、输入电源构成。在开关管VT处于通态期间，电源经开关管VT向电感储能。同时，和电容通过电感共同向负载R供电，并向充电。关断，经向负载供电。输入输出关系：3-15．分析图3-16（a）所示的电流可逆斩波电路，并结合图3-16（b）的波形，绘制出各个阶段电流流通的路径并标明电流方向。答：在该电路中，当电路只作降压斩波器运行时，VT2和VD2总处于断态，VT1和VD1构成了降压斩波器。若只作升压斩波器运行时，则VT1和VD1总处于断态，VT2和VD2构成了升压斩波器。把直流电动机的动能转变为电能反馈到电源，使电动机作再生制动运行，工作于第二象限。各阶段器件导通情况及电流路径等如下：VT1导通，电源向负载供电：VT1关断，VD1续流：VT2导通，L上蓄能：VT2关断，VD2导通，向电源回馈能量3-16．简述电感元件伏秒平衡率和电容元件安秒平衡率的含义。答：电感元件伏秒平衡律：处于稳定运行的电感元件，在一个工作（开关）周期中所承受的正伏秒值等于负伏秒值，伏秒就是伏秒积，也是电感电压-时间曲线的面积。电容元件安秒平衡率：处于稳定运行的电容元件，在一个工作（开关）周期中所通过的正安秒值等于负安秒值，安秒就是安秒积，也是电容电流-时间曲线的面积。3-17．如图3-16（a）所示的电流可逆斩波电路，采用VT1和VT2互补导通控制，已知输入电源VT1占空比和VT2占空比VT1占空比和VT2占空比解：（1），，那么，则=0.682，=1-=0.318（2）根据，那么，则=0.591，=1-=0.4093-18．多相多重斩波电路有何优点？答：总输出电流最大脉动率与相数的平方成反比，电流脉动率降低；如果各电感量相同，总的输出电流脉动幅值降低；如果各电感量相同，电源侧的电流谐波分量显著减小；当要求总输出电流脉动率相同时，所需平波电抗器总重量大为减轻；多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用，万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总体的可靠性提高。3-19．为什么正激变换器需要磁场复位电路？正激变换器在开关VT开通后，变压器的原边电流由两部分构成，一部分是副边电流的折算值，另一部分是激磁电流，激磁电流随时间线性增长。线圈通过的是单向脉动激磁电流，如果没有磁场复位电路，剩余磁通的累加可能导致磁场饱和。磁场饱和使开关导通时电流很大；断开时使电压过高，导致开关器件的损坏。所以，一方面限制开关管持续导通时间，另一方面必须设法使激磁电流在VT关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为变压器的铁芯磁场复位。3-20．某正激变换器，输入直流电压=200V，开关频率=50kHz，导通占空比=0.45，输出电压为20V恒定，负载电流为1.5A，忽略开关管与二极管的通态压降，要求变换器工作在电流连续状态，如果钳位绕组匝数，试计算变压器变比、最小滤波电感L、开关管承受的最大电压。解：根据题意，，则开关周期（s）（s）由于电流临界连续时等于2倍的输出电流，则开关管承受的最大电压为（V）3-21．某反激变换器，输入直流电压=315V，开关频率=25kHz，导通占空比=0.45，输出电压为15V恒定，负载电流为1A，忽略开关管与二极管的通态压降，要求变换器工作在电流连续状态，试计算变压器变比、原边电感L、开关管承受的最大电压。解：根据题意（s）根据电流临界连续时等于2倍的输出电流，µHmH开关管承受的最大电压（V）3-22．试分析隔离型DC/DC全桥，半桥和推挽电路中的开关和整流二极管在工作时承受的最大电压，输入输出电压关系。答：各电路分别说明如下。1）全桥电路开关在工作时承受的最大电压。按书图3-26的原理图，整流二极管在工作时承受的最大电压。输入输出电压关系：滤波电感电流连续时，在负载为零的极限情况下。2）半桥电路开关在工作时承受的最大电压。按书图3-24的原理图，整流二极管在工作时承受的最大电压。输入输出电压关系：滤波电感电流连续时，在负载为零的极限情况下。3）推挽电路开关在工作时承受的最大电压。按书图3-28的原理图，整流二极管在工作时承受的最大电压。输入输出电压关系：滤波电感电流连续时，在负载为零的极限情况下。3-23．试分析隔离型DC/DC全桥式变换器的工作原理。当与为高电平、和为低电平时，开关管和导通、和截止，，变压器建立磁化电流，磁通密度正向增加并向负载传递能量，副边绕组感应电势上正下负，二极管VD5和VD8导通、VD6和VD7截止，电压约为，电感L上的电流上升，开关管、通过的电流为。当与为低电平，和为高电平时，开关管和导通、和截止，，在此期间变压器建立反向磁化电流，也向负载传递能量，这时铁芯工作在BH磁滞回线中的磁通密度减小然后反向增加，匝数为的副边绕组感应电势下正上负，二极管和导通、和截止，电压约为，电感L上的电流上升。在、导通期间（或和导通期间），施加在一次绕组上的电压约等于输入电压。与半桥电路相比，一侧绕组上的电压增加了1倍，而每个开关的耐压仍为输入电压。当4个IGBT都关断时，变压器绕组和中的电流为零，一次绕组上是没有施加电压的，二次绕组上电压为0，电压为0。全桥式变换器的工作原理图

第4章直流-交流变换技术4-1．无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？答：两种电路的不同主要是：当逆变电路的交流侧接电网（源），电网（源）成为负载，在运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电网（源）中去，称为有源逆变。当逆变电路交流侧接负载，在运行中将直流电能变换为某一频率或可调频率的交流电能供给交流负载，称为无源逆变。4-2．逆变电路与变频电路有什么区别？答：通常所说的变频电路与逆变电路有所不同，变频电路分为交-交变频和交-直-交变频两种。交-直-交变频由交-直变换（整流）和直-交变换（逆变）两部分组成，后一部分是逆变。4-3．换流方式有哪几种？各有什么特点？答：换流方式有4种：器件换流：利用全控器件的自关断能力进行换流。电网换流：电网提供换流电压的换流方式称为电网换流。将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上并保持一定时间即可使其关断。这种换流方式主要适用于半控型器件，不需要为换流添加任何元件，不需要器件具有门极可关断能力。这种换流方式不适用于没有交流电网的无源逆变电路。负载换流：采用负载换流时，要求负载电流的相位必须超前于负载电压的相位，即负载为电容性负载，且负载电流超前电压的时间应大于晶闸管的关断时间，即能保证该导通晶闸管可靠关断，触发导通另一晶闸管，完成电流转移。强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流称为强迫换流。通常是利用附加电容上的能量实现，也称电容换流。上述四种换流方式，器件换流适用于全控型器件，其余三种方式针对晶闸管。器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负载换流属于外部换流。4-4．什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路?二者各有何特点？答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流侧是电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路。电压型逆变电路的特点有：1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。3）阻感负载时需提供无功功率。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各桥臂并联反馈二极管。直流侧为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。电流源型逆变电路采用大电感作储能元件，电流源型逆变器有如下特点：1）直流侧为电流源或串联大电感，直流侧电流基本无脉动。2）直流回路串以大电感，储存无功功率，构成了逆变器高阻抗的电源内阻特性（电流源特性），即输出电流波形接近矩形，而输出电压波形与负载有关，在正弦波基础上叠加换流电压尖峰。3）由于直流环节电流不能反向，只有改变逆变器两端直流电压极性来改变能量流动方向并反馈无功功率，无需设置无功二极管作为反馈通道。4-5．电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？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，电压型逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，无功能量由直流侧电感来缓冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时，电流并不反向，依然经电路中的可控开关器件流通，因此不需要并联反馈二极管。4-6．说出总谐波畸变因数THD的含义。答：谐波畸变因数THD，在电气工程学科中表征波形相对正弦波畸变程度的一个性能参数。其定义为全部谐波含量均方根值与基波均方根值之比，用百分数表示。总谐波畸变因数为式中，为各次谐波相对于基波幅值的标幺值。4-7．采用移相调压控制的单相全桥方波逆变电路，已知直流电压=110V，当两个桥臂的控制移相角θ为，输出电压是正负各为θ角度的方波，求输出电压的有效值和输出电压的基波有效值。解：由于输出电压为方波，其有效值（V）输出电压的基波有效值=（V）4-8．什么是异步调制？什么是同步调制？两者各有何特点？分段同步调制有什么优点？答：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。在异步调制方式中，通常保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。异步调制的主要特点是：在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。输出波形谐波较大。载波比N等于常数，变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。同步调制的主要特点是：在同步调制方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的，输出波形谐波较小。缺点是：载波频率过低时由调制带来的谐波不易滤除。而当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受。分段同步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段，每个频段的载波比一定，不同频段采用不同的载波比。其优点主要是，在高频段采用较低的载波比，使载波频率不致过高，可限制在功率器件允许的范围内。而在低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。4-9．什么是SPWM波形的规则化采样法？和自然采样法比规则采样法有什么优点？答：SPWM波形的规则化取样法是指信号为正弦波，以规则时间点对信号波进行取样来计算脉冲宽度的PWM波形生成方法，规则取样法也称规则采样法。其基本思路是：取三角波载波两个正峰值之间为一个采样周期。使每个PWM脉冲的中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的采样值，并认为信号波在该三角波周期中幅值不变，均等于该采样值，该采样值水平线与三角波载波的交点即为功率开关器件通断的时刻，即可计算PWM的宽度。用规则采样法得到脉冲宽度代替正弦波与三角载波交点的脉冲宽度，误差很小，如图所示。优点：比起自然采样法，规则采样法的计算非常简单，计算量大大减少，而效果接近自然采样法，得到的SPWM波形仍然很接近正弦波，克服了自然采样法难以在实时控制中在线计算，在工程中实际应用不多的缺点。4-10．PWM调制有哪些方法？它们各自的出发点是什么？答：PWM调制方法有两种：一是采样法，二是特定谐波消去法。1）采样法，包括自然采样法和规则采样法，其中规则采样法有对称规则采样法和不对称规则采样法。以一个正弦波为基准波（称为调制波），用一列等幅的三角波（称为载波）与基准正弦波相交，由它们的交点确定逆变器的开关模式。采样法是为了使输出的PWM波形接近于信号波。2）指定谐波消去法。该方法的出发点是为了消去指定的低次谐波。4-11．电流跟踪SPWM逆变有哪几种控制方式？答：电流跟踪SPWM逆变有3种控制方式：①电流滞环控制方式；②三角形比较方式；③定时比较方式。4.12．SPWM调制方法中，电压幅度调制比和载波比大小对PWM逆变器输出电压有什么影响？答：ma=URm/Ucm称为幅度调制比或称幅值调制比，其中URm为正弦信号波幅值，Ucm为三角波幅值，电压幅值调制比ma越大，PWM逆变器输出电压也越大，反之越小。载波频率与调制信号频率之比称为载波比，也称为频率调制比。载波比mf大小与PWM逆变器输出电压谐波大小有关，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。当频率调制比mf为常数，变频时，使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制方式。频率载波比mf不等于常数，载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。一般来说，同步调制方式比异步调制方式的逆变器输出电压谐波更小；频率调制比mf越大，逆变器输出电压谐波更小，反之越大。4.13．试述电压型三相桥式180°导电型逆变电路的换流顺序及每60°区间导通管号。答：电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式为180°导电型，即每个桥臂的导电角为180°，同一相上下桥臂交替导电，各相开始导电的时间依次相差120°。因为每次换流都在同一相上下桥臂之间进行，因此称为纵向换流。在一个周期内，6个管子触发导通的次序，即逆变电路开关管换流顺序为，依次相隔60°，任一时刻均有3个管子同时导通，导通的组合顺序，即每60°区间导通管号为，，，，，，每种组合工作60°电角度。4-14．三相桥式电压型逆变电路，180°导电方式，=110V。试求输出相电压的基波幅值和有效值。输出线电压的基波幅值和有效值。输出线电压中7次谐波的有效值。解：由于=110V，则4-15．参阅其它文献，请问串联二极管式电流型逆变电路中，二极管的作用是什么?试分析换相过程。答：二极管的主要作用，一是为换流电容器充电提供通道，并使换流电容的电压能够得以保持，为晶闸管换流做好准备；二是使换流电容的电压能够施加到换流过程中刚刚关断的晶闸管上，使晶闸管在关断之后能够承受一定时间的反向电压，确保晶闸管可靠关断，从而确保晶闸管换流成功。电流源型逆变器换流过程分4个阶段。（1）换流前运行阶段设VT5、VT6导通，负载电流由直流电源（+）极出发，经VT5、VD5，通过电机W相绕组和V相绕组，经由VD6、VT6流返回电源（-）极，其与此同时，电容充有极性左（-）、右（+）的一定电压为关断做了准备。（2）晶闸管换流与恒流充与放电阶段根据电容的电压极性，VT1阴极电压低，触发VT1后立刻导通，使电容上的电压反向施在等效电容3C／2放电至零之前，一直承受反压，以保证其可靠关断。由于电流源逆变器中负载电流一般恒定不变，则对由和串联、再与并联而成的等效电容进行恒流充电，使、上的电压极性变反。当电容上的电压等于电机U、W相绕组上电压时，二极管VD1开始导通，进入VD5和VD1的换流阶段。（3）二极管换流阶段VD1、VD5同时导通时，由、和构成的等效电容3C／2与电机U、W两相绕组漏电感2L构成串联谐振，其固有频率为。谐振过程使U相电流由零上升至，W相电流从下降至零，实现了二极管间的负载谐振换流。此阶段由于U、W两相绕组中电流迅速发生变化，将在漏感上引起相当大的自感电势。叠加在正弦的反电势上，使相电压波形出现高达1.5倍额定电压的尖峰。同样在电机线电压上也会出现不希望的尖峰，这对电机运行和隔离二极管电压耐量都是不利的，故电流型逆变器供电电机常希望绕组漏抗尽可能小。（4）换流后运行阶段当U相电流等于，W相电流等于0时，二极管换流结束，进入VT1、VD1与VT6、VD6及电机U、V相的稳定导通新阶段。此时VD5承受反压而截止，电容上电压充成左（+）、右（-），为下次VT1的强迫关断做准备。4-16．三相SPWM逆变电路，当幅度调制比的范围为0.6～0.9，要求输出基波电压为400V，电流为15A，三相电阻负载，如果该逆变变换器的效率为97%，求直流电压的范围、输出功率和最大输入平均电流。解：输出线电压基波有效值为=0.6～0.9时，则=726～1089（V）输出功率输入功率与效率的乘积等于输出功率，直流电压最小值时，要求输入平均电流最大（A）4-17．三相SPWM逆变电路采用什么样的控制方法可以提高直流电压利用率？答：对于三相SPWM逆变电路，采用如下2种控制方法可以提高直流电压利用率（1）采用梯形波调制方法的思路为：采用梯形波作为调制信号，当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值超过了三角波幅值，相当于的过调制状态，可有效提高直流电压利用率。（2）还可以采用线电压控制方式，即在相电压调制信号中叠加3的倍数次谐波及直流分量等，同样可以有效地提高直流电压利用率。4-18．SVPWM控制方法中，直流电压利用率（线电压峰值与直流电压的比值）最大值为多少?答：SVPWM中电压矢量幅值的最大值等于，三相正弦波线电压有效值为等效，线电压峰值为，直流电压利用率为1。4-19．异步电动机采用SVPWM控制时，若用七段式产生正6N边形某一条边的磁链轨迹，请描述产生该条边磁链轨迹的过程。答：以第I扇区中的合成电压矢量产生某一边磁链轨迹为例，非零电压矢量、、零矢量（或），分成多次作用产生磁链，只要总工作时间、总工作时间、零矢量（或）总工作时间都不变，产生的磁链轨迹就基本相同。合成期望电压矢量时，以开关损耗和谐波分量都较小为原则，在减少开关次数的同时，尽量使PWM输出电压波形对称，以减少谐波分量。将两个非零基本电压矢量分别分为两次产生作用，其作用时间分别等分为1/2，按先后次序放置来合成期望矢量来产生磁链轨迹，其中最先与最后为同一矢量，中间同一矢量，即先放置第1个矢量，然后放置第2个矢量，再放置第2个矢量，最后放置第1个矢量。另外，将零电压矢量分为4次产生作用，作用时间平均分为1/4，在合成期望矢量的首、尾各作用1/4时间，在中间作用2次1/4时间，即1/2时间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。具体来说，磁链轨迹某一个边由、、、、、、七段组成，这就是常用的七段式。下图为期望6N边形某一边磁链轨迹。4-20．逆变电路多重化、多电平化的目的是什么?三电平逆变电路有什么突出优点?答：逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高，二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波，还是电流型逆变电路输出的矩形电流波，都含有较多谐波，对负载有不利影响，采用多重逆变电路，可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。多电平化的目的是使逆变电路的相电压输出更多种电平，不仅使逆变器可以承受更高的电压，而且可以使其波形更接近正弦波，这是逆变电路多电平化的目的。三电平逆变电路的突出优点是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半。因此，这种电路特别适合于高压大容量的应用场合。4-21．试分析图4-37三电平逆变电路的工作原理。答：电路如下图以U相为例，当VT11和VT12（或VD11和VD12）导通，VT41和VT42关断时，U点和点间电位差为；当VT41和VT42（或VD41和VD42）导通，VT11和VT12关断时，U和间电位差为-；当VT12和VT41导通，VT11和VT42关断时，U和间电位差为0。实际上在最后一种情况下，VT12和VT41不可能同时通过电流，哪一个通过电流取决于负载电流的方向。按图中箭头所规定的方向，时，VT12和钳位二极管VD1导通；时，VT41和钳位二极管VD4导通。即通过钳位二极管VD1或VD4的导通把U点电位钳位在点电位上，所以，U和间电位差有、-和0三种电平，称为三电平逆变电路。通过相电压之间的相减可得到线电压。两电平逆变电路的输出线电压共有和0三种电平，而三电平逆变电路的输出线电压则有、和0五种电平。因此，通过适当的控制，三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路。

第5章交流-直流变换技术5-1．某电阻负载要求36V直流电压，最大负载电流=30A，采用单相桥式全控整流电路，如果交流采用220V直接供电与用变压器降至72V供电是否都满足要求?试分别计算两种方案的晶闸管导通角、负载电流有效值。解：220V供电时所以，。满足要求。此时，导通角。，72V供电时所以，。满足要求。此时，导通角，5-2．单相桥式全控整流电路，交流侧电压＝110V，负载中电阻R＝3Ω，电感L值极大，当控制角时，试求：1）画出整流电压、电流、和变压器副边电流的波形；2）求整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值；3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。答：1）2）输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值分别为3）晶闸管承受的最大反向电压为＝155.56V）考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。流过晶闸管的电流有效值为：晶闸管的额定电流为具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。5-3．单相桥式全控整流电路，交流侧电压，负载中电阻，电感L值极大，反电动势E=110V，当控制角时，试求：1）画出整流电压、电流、和变压器副边电流的波形；2）整流输出平均电压、电流以及变压器二次电流有效值；3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：1）ud、id和i2的波形如下图2）整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为Ud＝0.9U2cosα＝0.9×220×cos30°＝171.53(A)Id＝(Ud－E)/R＝(171.53－110)/3＝20.5(A)I2＝Id＝20.5(A)3）晶闸管承受的最大反向电压为U2＝220＝311.08（V）流过每个晶闸管的电流的有效值为：IVT＝Id∕＝14.5（A）故晶闸管的额定电压为：UN＝(2~3)×311.08＝622~933（V）晶闸管的额定电流为：IN＝(1.5~2)×14.5∕1.57＝14~19（A）晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。5-4．单相全波可控整流电路，分别给电阻性负载供电和带阻感负载供电时，如果流过负载电流的平均值相同，试问哪种情况下通过负载的电流有效值更大?答：电阻性负载的电流有效值大些，带阻感负载的电流有效值小一些。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，抑制电流脉动，电流波形平直，平均值相同时，其电流有效值更小，相反，电阻负载时，电流波形波动较大，平均值相同时有效值大。5-5．具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，试说明：1）晶闸管承受的最大反向电压为；2）当负载是电阻或阻感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。3）变压器有直流磁化问题吗？答：见教材图5-5。1）以晶闸管为例。当导通时，晶闸管的阴极与变压器二次侧上绕组的上端连接，阳极与二次侧下绕组的下端连接，所以承受的最大电压为。2）因为单相桥式可控整流电路的对角晶闸管同时通断，2组对角晶闸管分别与全波可控整流电路的2个晶闸管的通断相对应，只要导通，负载电压就为变压器二次侧绕组电压。只要单相全波可控整流电路具有中心抽头变压器二次侧的上绕组、下绕组、单相桥式可控整流电路中的变压器二次侧绕组电压相同，则其输出电压波形相同，负载相同时，则其输出电流波形也相同。3）具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化的问题5-6．单相全波可控整流电路，交流侧电压=110V，负载中电阻R=3Ω，电感L值极大，当控制角时，试求：1）画出整流电压、电流、和变压器副边电流的波形；2）整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值；3）考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。解：1)整流电压、电流、和变压器副边电流的波形如下。2)整流输出平均电压、电流，变压器二次电流有效值计算如下。3)晶闸管的额定电压和额定电流5-7．上题中，如果负载两端并接一续流二极管，其输出直流电压、电流平均值又是多少?并求此时流过晶闸管和续流二极管的电流平均值、有效值，画出整流电压、电流波形。解：输出直流电压、电流平均值二极管电流平均值二极管电流有效值晶闸管电流平均值晶闸管电流有效值5-8．在三相半波可控整流电路中，如果触发脉冲出现在自然换流点附近之前，能否进行换流?可能会出现什么情况?答：触发脉冲出现在自然换流点附近之前，不能换流。如果三个触发脉冲全部出现在自然换流点附近之前，输出电压为0，如果其中一个触发脉冲全部出现在自然换流点附近之前，该相无输出电压。5-9．三相半波可控整流电路，如果a相的触发脉冲消失，试绘出电阻性负载和电感性负载下的直流电压波形。答：在如图控制角的作用下，电阻性负载和电感性负载下的直流电压波形分别如图b）和c）。5-10．三相半波可控整流电路，交流侧电压=110V，电阻负载，电阻R=3Ω，当控制角=时，试求：1）画出整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形；2）计算整流输出平均电压、电流。答：1）整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形如下图。2）整流输出平均电压、电流5-11．三相半波可控整流电路，=110V，带电阻电感负载，电阻R=3Ω，电感L值极大，当控制角=时，试求：1）画出整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形；2）计算整流输出平均电压、电流、通过晶闸管电流平均值和有效值。解：1）整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形如图。2）、、和分别如下5-12．在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压ud波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？答：假设VT1不能导通，整流电压ud波形如下。假设VT1被击穿而短路，则当晶闸管VT3或VT5导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT5也可能分别被击穿。5-13．三相桥式全控整流电路，交流侧电压=110V，带电阻电感负载，电阻R=3Ω，电感L值极大，当控制角=时，求：1）画出整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形；2）计算整流输出平均电压、电流、通过晶闸管电流平均值和有效值。解：1)整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形如下图。2)、、和分别如下5-14．三相桥式全控整流电路，交流侧电压=100V，带电阻电感反电动势负载，电阻R=5Ω，电感L值极大，反电动势E=20V，当控制角=时，试求：1）画出整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形；2）计算整流输出平均电压、电流、通过晶闸管电流平均值和有效值。解：1）整流电压、电流和通过晶闸管电流的波形如图。2）整流输出平均电压、电流、通过晶闸管电流平均值和有效值5-15．单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范围分别是多少？答：单相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是。三相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是。5-16．三相桥式全控整流电路，六个晶闸管需要6个触发信号，请问这6个触发信号之间有什么样的相位关系？答：根据教材中三相桥式全控整流电路，共阴极组的晶闸管VT1、VT3、VT5，哪个阳极电位最高时，那个相应的晶闸管应触发导通；共阳极组的晶闸管VT4、VT5、VT2，哪个阳极电位最低时，那个相应的晶闸管应触发导通。依据三相桥式全控整流电路中晶闸管的标号，VT1、VT2、VT3，VT4、VT5、VT6的触发电路信号依次超前60°。5-17．单相全控桥式整流电路，反电动势阻感负载，按设计要求选用整流变压器的原副边额定电压，当该电路在额定工况下工作时，试说明整流变压器漏感的大小对输出平均电压的影响。答：由于变压器漏抗的存在，负载电流在换相期间引起的电压降，故称为换相压降，用表示，使输出整流电压的平均值有所下降。5-18．三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，按设计要求选用整流变压器的原副边额定电压，当该电路在额定工况下工作时，试说明整流变压器漏感的大小对换相重叠角的影响。答：当一定时，越大，换相重叠角就越大。这是由于越大，漏感中储存能量越多，换相过程加长，换相重叠角增加。5-19．比较图5-27和图5-28，试说明：1）图5-28（a）和（b）分别与图5-27中哪两个图的工作原理是等效的；2）在图5-27中，为什么加了二极管VD？答：1）图5-28（a）和（b）分别与图5-27（a）和（b）的工作原理是等效的。2）在图5-27中，用二极管VD来代表晶闸管的单向导电性，或者说，图5-27（a）和（b）中电源E1和二极管VD一起，来等效晶闸管电路所产生的电压与电流只能单方向流动。5-20．三相半波逆变电路，当α>π/2时，反电动和整流电压均为负值，若反电动势，电路运行情况如何?若反电动势，电路运行情况又如何？答：α>π/2时，反电动和整流电压均为负值。若反电动势，电路运行于逆变状态若反电动势，电路不满足逆变条件，为待逆变状态。5-21．使变流器工作于有源逆变状态的条件是什么？答：条件有两个：①直流侧要有电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压；②要求晶闸管的控制角，使为负值。5-22．试从电压波形图上分析，无论何种以电动机为负载的逆变电路，当电抗器电感量不够大且在α=π/2时，则输出直流平均电压>0，将造成被拖动直流电动机爬行（极低速转动）。答：如果足够大，电流连续，则α=π/2，正负面积相等，=0。从下面三相桥式电路输出电压波形图上看出，如果不够大且在α=π/2时，则电流断续，出现负面积小于正面积现象，故，但输出电压值很小，如果负载为直流电机，则电机速度很低，造成直流电机爬行。5-23．单相桥式逆变电路，若交流侧电压=220V、反电动势=-110V、电阻R=3Ω，当逆变角β=30o时能否实现有源逆变？为什么？答：不能。因为，而=-110V，，故不能满足逆变条件，无法实现有源逆变。5-24．三相半波逆变电路，交流侧电压=85V，反电动势=-60V，电阻R=0.5Ω，电感L足够大，保证电流连续。试求：1）控制角α=90o时，直流侧平均电流为多少？2）若逆变角β=60o时，直流侧平均电流为多少？解：1)控制角α=90o时2)若逆变角β=60o时而=-60V，，故满足逆变条件。5-25．三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，电阻R=2Ω，电感L=∞，交流侧电压=220V，当=-440V，逆变角=60o时，求整流输出平均电压、电流的值，此时送回电网的有功功率是多少？解：整流输出平均电压有功功率为负值表示送回给电网。5-26．什么是逆变失败？如何防止逆变失败？答：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，称为逆变失败或逆变颠覆。防止逆变失败的方法有：采用精确可靠的触发电路；使用性能良好的晶闸管；保证交流电源的质量；留出充足的换向裕量角等。5-27．三相桥式全控整流电路带电动机负载，要求可逆，采用图5-37的TC787触发电路接线图，已知同步变压器及其输出连线如图中所示，试求：1）忽略RC滤波器滞后角度，请确定三相桥式全控整流电路的整流变压器联结形式；2）如果RC滤波器滞后30°角度，在整流变压器不变的情况下，如何改变同步变压器？解：1）三相桥式全控整流电路晶闸管采用TC787触发电路时，如果忽略RC滤波器滞后角度，那么共阴极组晶闸管阳极电压应该与同步信号同相位，可以确定三相桥式全控整流电路的整流变压器联结形式与同步变压器联结形式相同，整流变压器联结形式如下图左边所示。2）如果RC滤波滞后角为30°时，主电路整流变压器的联接方式不变，还是△/Y-11接法，同步信号应该要超前主电压信号30度，超前30度的信号、经过RC滤波滞后30°后，信号的相位差就回到零度，也就是芯片管脚上的信号正好还是跟主电压信号保持同相位。根据变压器绕组联接组别的概念，△/Y-11接法是11点，超前30°应该是10点，只要设计出同步变压器绕组联接组别是10点的三相变压器就可以达到要求。主电路整流变压器的联接方式不变，还是△/Y-11接法，右边的同步变压器绕组联接组别是Y/Y-10接法，这个同步变压器的绕组联接组别可以通过向量图分析，看向量图，比如，副边的Usa向量，它是从第2相引出，而且绕组的同名端在尾端，所以，它的向量方向跟原边第2相向量相反，就是跟UB向量方向相反，超前ua相电压30°，可以作为a相晶闸管触发电路的同步信号，同样的道理，画出Usb向量方向跟UC相向量方向相反，超前ub相电压30°，可以作为b相晶闸管触发电路的同步信号，Usc向量方向跟UA相向量方向相反，超前uc相电压30°，可以作为c相晶闸管触发电路的同步信号。5-28．电容滤波的单相不可控桥式整流电路，输出直流电压平均值的极限范围是多少？三相不可控桥式整流电路呢？答：单相:空载时，重载时R很小，电容放电很快，几乎失去储能作用，随着负载加重，逐渐趋近于。因此输出直流电压平均值的极限范围为三相不可控桥式整流电路输出直流电压平均值的极限范围为：。5-29．结合电路原理图，简要说明同步整流电路的工作原理。答：下面两种解答都可以。第1种解答（无自带MOSFET驱动电路）：原理图如下：在=输出正电压，处于正半周期时，此时外围控制电路应使高电平低电平，导通截止，二次回路中在作用下线性增长并为负载提供能量。而当==0时，此时外围控制电路应使高电平也为电平，都导通，电感电流分别通过和续流。在=输出负电压，处于负半周期时，应使截止导通，电路工作原理与正半周期类似，分析从略。一方面整流电流通过MOSFET而不是二极管，另一方面MOSFET的导通关断是根据交流波形同步进行的，故称为同步整流。第2种解答（原理图自带MOSFET驱动电路）：原理图如下：在=输出正电压，处于正半周期时，此时绕组输出正电压=，所以辅助绕组电流回路为----，电容充电，导通截止，二次回路中在作用下线性增长并为负载提供能量。而当==0时，电容沿和向放电（绕组输出电压=0，可忽略），直至两者电荷平衡，当=，此电压值大于MOSFET的开启电压，和导通，通过和续流。在=输出负电压，处于负半周期时，应使截止导通，电路工作原理与正半周期类似，分析从略。一方面整流电流通过MOSFET而不是二极管，另一方面MOSFET的导通关断是根据交流波形同步进行的，故称为同步整流。5-30．【6分】如教材中的图5-45所示，为什么控制电感L的电流为近似正弦双半波，就可以使交流输入电流为近似正弦波？答：如教材中的图5-45主电路所示，图中有一个单相桥式不控整流电路，它是把单相交流电转换为直流电。这就意味着单相桥式不控整流电路的交流侧电流与直流侧具有对应关系，具体来说，直流侧正弦双半波电感L电流中的1个正弦半波与交流侧正半周电流相同，直流侧正弦双半波电感L电流中的另1个正弦半波与交流侧负半周电流相同，所以，控制电感L的电流为近似正弦双半波，就可以使交流输入电流为近似正弦波。5-31．一个BoostAPFC电源（如图5-45所示），输入电压为，输入电源频率为；输出功率，输出电压为；开关频率为20，忽略电路工作损耗。试求：1）若采用CCM控制模式，输入电感的电感量为多少？2）若采用DCM控制模式，输入电感的电感量为多少？解：1）负载等效电阻在CCM模式下，由于输入电压是变化的，用最大值135V代入电感量应大于2.3。2）在DCM模式下，由于输入电压是变化的。当输入电压为85V时当输入电压为135V时电感量应小于0.16。5-32．间接电流控制的PWM整流电路，当测量的交流侧电感量与工作过程中的实际值误差较大时，会影响输入电流与输入电压相位差吗？答：会影响输入电流与输入电压相位差。采用间接电流控制时，电压向量关系为在信号运算过程中用到电路参数L，当L的运算值和实际值有误差时，会影响，也影响了的计算值。根据构成的输入侧PWM参考电压的幅值与相位同样受到影响，从而影响输入电流与输入电压的相位差。5-33．直接电流控制的PWM整流电路，当设计的交流侧电感量与工作过程中的实际值误差较大时，对输入电流有何影响？答：该控制方法是让实际电流跟踪给定电流，电路参数L的大小对输入电流基波几乎无影响，对输入电流的谐波有较小影响。主要表现在：实际电感很大时，电流的变化率较小，滞环控制输出切换频率变小，即PWM频率降低；相反，实际电感很小时，电流的变化率较大，滞环控制输出切换频率变大，即PWM频率增加。当设计的交流侧电感量与工作过程中的实际值误差较大时，对输入电流的影响主要体现在高次谐波上。5-34．以图5-49的直接电流控制的单相PWM整流系统为基础，请改造系统使输入交流电流超前输入交流电压90°相位。答：如果希望输入交流电流超前输入交流电压90°相位，对于直接电流控制来说，可以让输入交流电流的给定波形超前输入交流电压波形90°，为了得到超前输入交流电压波形90°的电流给定波形，可以构造比输