电力电子技术第3版 课后练习题及答案 第0-4章

【参考答案】

。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将件、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撅率变

换到另•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•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O

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•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高压直流输电工程一一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”,主要标志为可关断品闸管GT。、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IPMo

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。

【参考答案】

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5M以上。

2）快恢复二极管，反向恢复时间在5Ps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100ns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10〜40ns。

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•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

1m，试计算:

1）各电流波形的电流有效值乙、小电流平均值加、加、心和它们的波形系数

*什，，Kg;

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/m

分别为多少？

3）这时，能送出的平均电流乙分别为多少？。

-----1------1

0兀/3兀2兀

图1-35晶网管导电波形

解：1)

=—fsincotd(cot)=—C\+1)=

川2JiJom2n

桂口，sin©)%(.)=与

Q=!J；An."d"%=勺(；+1”0.478/ni

/2=M

4二063%

a1.33

Q0478/m

Q=3"m〃(S)=，

八二旧配"(砌="

/c=A=2^J1=2.45

6m

2)额定电流/T(AV)=100A的晶闸管，允许的电流有效值/=157A,

/nll=2/,=2x157=314(A)

/in2=-^―==247.6(A)

成0.6340.634

&=>/6/3=76x157=385(A)

3)由上题计算结果知，由公式&/5=1.57%AV)可得

1.57x1001.57x100

=100(A)

dla1.57

1.57x1001.57x100

=118(A)

1.33

1.57x1001.57x100

=64(A)

76

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V2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，P?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四+%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泡和状态，使GTO用门板负信号关断。SCR的《十%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0+%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•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BUg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是的极性器件，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

色依•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

dt

不超过额定电流，或增加控制极上所接电阻凡的数值，减小关断时的公,以避免出现擎

dt

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

开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲

开关速度低于电力MOSFET,电

IGBI电流冲击的能力，通态压降较低，输入

压，电流容量不及GTO

阻抗高，为电压驱动，驱动功率小

开关速度低，为电流驱动，所需

耐压高，电流大，开关特性好，通流能

GTR驱动功率大，驱动电路复杂，存

力强，饱和压降低

在二次击穿问题

电流关断增益很小，关断时门极

电压、电流容量大，适用于大功率场合，负脉冲电流大，开关速度低，驱

GTO

具有电导调制效应，其通流能力很强动功率大，驱动电路复杂，开关

频率低

电力开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，电流容量小，耐压低，一般只适

MOSFET所需驱动功率小且驱动电路简单，工作用于功率不超过10kW的电力电

频率高，不存在二次击穿问题子装置

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），血后者则是将所有的东西都集成十一个芯片当中（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、MCTo

碳化硅材料制成的电力中，子器件：二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT都已经有对应的

碳化硅产品。

【参考答案】

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，减少开关损耗，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冲；

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，VTr63导通，通过脉冲变压器输出电压

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、用续流，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）开通时栅源极驱切电压一般取10〜15L

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V1导

通，驱动电路约输出-匕驱动电压，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+匕电压，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•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。

过中流保护主要方法有由路过流保护、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人心。2）另一方面减小散热器热阻4%。

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。缓冲电路乂称为吸收电路，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dWdt抑制电路，开通缓冲电路又称

为d〃北抑制电路。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/dl,全控耀件开通缓冲电路的主要作用是抑制过电流或di/dl。

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/di。

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=15Q,电感极大，输入电源电压4为320V,负载两端平均电压人在8~90V

范围内可调节，开关频率人为2kHz。已知功率管最小开通时间心而„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

Cmaxd615

6xl80xl09

GTR关断时电流下降时间％=180ns,根据―上工小2，-<320,则

2Q2孰

6x180x10'

(2x320=1.7nF

取电容Cu=2.2nF,耐压取实际承受最大电压1.1〜1.5倍即可，取400V。

93

由于%nin=O0125ms,根据3%Cu《Unin，3/?L,x2.2x10-<0.0125x1O-,则

%KI.91g

取&=1.6kC°GTR开关周期为().5ms,开关频率为2kHz，则

92

%="!•fCvU^nM=1x2xlO-x2.2xlOx32O=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/Cpmax,但ZCpmilx肯定大

于额定电流15Ao由于电容放电电流最大值为4a二卫下=R.2A,考虑缓冲电路电容

3

RvL6X10

的放电电流时，通过GTR电流

空以+〃a=6+0.2=6.2/K15A

r>Cmax

Kv

符合?但+〃皿X</cpnw，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Vio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渊件；采用电阻均压，Rp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•致的器件；用用）的并联支路作

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，〃个相同等级的模块并联时，允许的电流应

小于〃/CN（，CN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MOSFTsNPT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，随着温度的升而，导

通电阻增大，饱和导通压降U0s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

许的电流应小干（为单个功率管的电流额定俏），因为每个开关管方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

以通过串联甩感或相互耦合的电抗滞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。

【参考答案】

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（PulseWidth

Modulation-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£向£、力供电，在此期间，%=么。然后使VT关断一段时间骁，

此时电感£通过二极管D向负载碘电，%=0。一个周期内的平均电压4=，—4。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，己知&=100、，，L=2mH,C=330pF,采用脉宽

调制控制方式，电路在CCM模式下工作,当4=40ps,十二20即时,输出平均电流/°=1A,

计算：

1）输出电压的平均值U。；

2）电感上电流纹波AA.：

3)输出电压纹波比AUo/U。。

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Uo与的电压平均值相等，即

♦=./.=(20X10-6)/(40X10-6)=0.5

%=pUs=0.5xlOO=50V

2)稳态时电感电流纹波(峰峰值)为：

M=kGT⑼=片％q=甥称x(2OxlO'o.5A

3)输出电压纹波比

=—(l-p)r2=-------------------x(|-0.5)x(4xl0,=0.0152%

XX_3XX-67V7

UoSLC8(210)(330I0)'

3-5.一个降压斩波电路，欲通过占空比夕控制保持输出电压U“=8V恒定，并希望输出

功率％28W,斩波频率20kHz,试计算电源电压么从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4。

解：由0="•可得0[7<0<0.5。

Ts=—=一二■=5x]O-5(S)

sfs20x10，

U2

R.=-s~W8(C)

2

I临界连续时，/o=,则2二=]_〃,则最小电感

24买

R1

4=羊(1-P)"==-x8x(l-0.5)x5xl0-5=100(pH)

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0的大小；

2)求电感中电流的峰峰值A4；

3)若允许输出电压的纹波△&>/&)=2%,求滤波电容C的最小值。

解：1)电流连续，占空比

夕=%="=0.417

436

2)开关周期

1_1

=2x105(S)

了一50x103

M=华(1-0印=02；：0-‘x(l-0.417)x2x10-=0.875(A)

3）根据

。一。以2=2%

C/QOLvvz

C/"阻景=^^^"0.4⑺抄”/0.02=7.29(阳

可得电容最小值

C=7.29pF

3-7.一个降压斩波电路，滤波元件参数为L=2mH,C=330"。希望U°=12V,斩波频

率为25kHz。电路在CCM模式下工作，若U$=25V,输出电流平均值/°=0.3A,试计算:

1）输出电压纹波△4（峰•峰值）；

2）电感上纹波电流A/—

解：1）占空比

夕=£=0.48

T,=—=—!—r=4xlO-s（S）

53

fs25xlO

电压纹波△/：

(1—048)x12x(4x105)

=1.89(mV)

8x(2xi()-5)x(330xl0-6)

2）电感上纹波电流

4=牛(1-2凡=x(l-0.48)x4x1()-5=0.1248(A)

2x10-3

L-J

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〃G为高电平时，开

关管VT导通，此=4>0,电感L承受的电压极性为左止右负，兀增加，电感L储能增加，

二极管VD截止，负载由电容C供电；②当忆为低电平时，开关管VT关断，因电感电流不

能突变，4.通过二极管VD向电容、负载供电，电感储能传递到电容和负教侧，此时

Wik，。减少，电感1感应电势”V。，故分>小。

3-9.一个升压斩波电路，己知Us=30V,L值和C值极大，负载&=20Q,采用脉宽调

制控制方式，当&=20四，%二12四时，计算输出电压平均值U。，输出电流平均值

解：L值和C值极大，电流连续。

_12xl(P

=0.6

Ts20x10^

由稳态时电感元件的伏秒平衡规律得：

qg-(q-4)x(7；f)=0

%—30*

输出电流平均值/。为:

/="=至=3.75(A)

小20

3-10.一个升压斩波电路，滤波电容C=470nFo希望输出电压U°=24V,输出功率

分212W,试计算电源电压&为10〜15V,当7；=20Hs时，使变流器工作在连续导通模式

下所需最小电感。”。

解：由"=_匚可得。=1一%,所以

51-P4

0.375<p<0.583

/o=^->0.5(A)

UQ

7；=20x10-*(S)

根据临界电流连续时

颂=2人

A=(Ji-°p)、

由于输出电压、电流恒定，引用或推导用U。、/。表示的公式，则临界电流连续时

J/\2

L=黄夕(1")

对夕求导，L极值出现在处，然后随着夕增大L值减小，要保证0.375<夕<0.583电流

连续，所以取夕=0.375,则

224x20x1()6

L=^p(l-p)=0.375(1-0.375)2=0.07mH

z/o2x0.5

一个升压斩波电路，滤波元件为已知外=

3-11.L=2mH,C=470M,24V,t/o=36V,/o=

0.5A,电感最小电流2/。，斩波频率为25kHz.试计算：（1）电感电流最小值；（2）

输出电压纹波AU。（峰•峰值）

解：(1)7.=—=—!-^-=4X105(S)

$fs25x10'

由”=」一可得，夕=0.33。

51-P

已知/°=0.5A,先计算输入(电感)平均电流，根据qx/s=U0x/°,

Is=%x/。=36x0.5/24=0.75A=/L

再计算电感纹波

A.p(\-p)UoTs0.33x(1-0.33)x36x4x10-5

A/L=-----------=----------------------=0.IbA-

小=-M./2=0.75-0.08=0.67A-

（2）判断电感电流最小值是不是大于负载电流，7^＞/0,可以利用公式计算输出电压纹

波。

输出最大电压纹波AU。（峰•峰值）：

UaP/。原20.5x4x10$xl/3

△%==14.2(mV)-

RXC~C~470x10-6

3.12.分别简述Boost-Buck变换电路与CGk变换电路的工作原理，并比较它们的异同

点O

答：升降压斩波电路的基本原理：①当开关管VT导通、二极管VD截止时，输入电压小加

在L上，电感从电源人获取能量，此时靠滤波电容C维持输出电压基本不变；②当开关管"截

止时，电感/■中储能传递给电容C及负载公，输出电压极性为下正上负。开关管VT导通占空比

越高，传递到负载的能量也越多。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反。

7，1一夕

改变导通比P，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当0＜夕＜1/2时为降

压，当1/2＜夕＜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，电源以向电感4输送能量，电

感电流脑上升，Z,储能增加。导通时间越长，£,中储能增加越多。同时，电容C1中储能通过开

关管VT给负载恻的电阻脱、电容。2、电感区释放能量，二极管VD截止。所以开关管VT导

通时，有两个导电回路，一是电源以正端、电感乙、开关管VT、电源久负端：另一个是电容G、

开关管VT、欢载/并联电容G、电感L、电容G。

②当控制信号使VT截止时，电感L,中电流流经电容G和二极管VD,即此时向电容CJ充

电，二极管VD导通，电源(4、电感，储能同时向G传递能量，同时，输出电压U。靠滤波电

容C?与电感Z基本维持不变。显然，控制VT导通与关断为比例，即可控制向G传递能量的多

少，从而可控谕输出电压的大小。所以开关管VT截止时，有两个导电回路：•个是电源人正

端、电感4、电容G、二极管VD、电源/负端；另一个是电感4、二极管VD、负载RL并联

电容。2、电感Z。

输出电压的极性与电源电压极性相反。

U=^E=-^—E=-^—E

0%T-tm\-p

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；4从8V变化至36V,

希望保持U°=15V,电流连续，试计算占空比0范围。

解：由电感元件稳态时伏秒平衡规律，可导出

t/o=t/sp/(l-p)

可求得

0.294<p<0,652

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L,和&、电容G、开关管VT、二极管VD、输出侧电容G和负载

R、输入电源q构成。

当VT处于通态时，么、/,、VT构成一个回路，G、VT、%也构成一个回路，两个回路

同时导电，L.和4储能，使通过电感的电流上升。

当VT处于断态时，q、L,、G、VD、负载构成一个回路，L?、VD、负载也构成一个回

路，两个回路同时导电，此阶段q通过&既向负载供电，同时也向G充电。其中，G上储存的

能量在VT处于导通时向右转移。

输入输出关系:

Uo=P

uj"p

Zata斩波电路由电感L,和区、电容G、开关管VT、二极管VD、输出侧电容C2和负载

R、输入电源么构成。在开关管VT处于通态期间，电源4经开关管VT向电感I,储能。同

时，U$和电容G通过电感a共同向负载R供电，并向C2充电。

开关管VT关断后，小c、VD构成振荡回路，L,的能量通过二极管VD转移至G，二极

管VD导通，同时，G向负载供电，Z的电流则经负我并通过VD续流。£,能量全部转移至G上

之后，VD关断，G经人向负教供电。

输入输出关系:

工上

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VD?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VD】总处于断态，VT2和VD?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：

V"导通，电源向负载供电：

VL关断，VD1续流:

VT2导通,£上蓄能:

VT2关断,VD?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，采用开关管V%和开关管VT2互补导

通控制，已知输入电源U、=HOV、反电势E、,=70V、回路总电阻K=0.4Q、电感L极大，求:

①当电动机处于电动状态且电枢平均电流/j=12.5A时,开关管VL占空比q和开关管

▽七占空比A分别为多少？

②当电动机处于制动状态且电枢平均电流/d="2.5A时，开关管VT,占空比g和开关管

VT2占空比.分别为多少？

解：（1）%=p4，4=4’那么

125=^xliO-7Of则上0.682,

0.4

p?=l-p]=0.318

（2）根据乙=型二且，那么

dR