新能源汽车功率电子基础 习题答案（程夕明） 习题集1-3

功率电子学原理及其应用

习题集1-3

第1章绪论

习题一

1.1.1(1)举例说明电子技术对汽车技术发展的促进作用。

1.1.2(2)简单叙述电动汽车的动力系统结构型式及其基本工作原理。

简单叙述电动汽车的动力系统结构型式及其节能减排潜力分析。

1.1.3(3)试描述功率电子学与电动汽车技术的关系。

1.简单叙述电动汽车的动力系统结构型式及其节能减排潜力分析。

1.2答案

1.2.1⑴答:

电子技术的进步不断推动汽车向高效节能和安全可靠的技术方向发展。汽车电子技术促

进了机械技术的新发展，汽车借助电子技术与机械技术的相乘效应，实现了跨越式发展，电

子技术不仅限于发动机控制和传动控制，而是向车身系统、行驶安全系统及信息系统等领域

不断扩展，汽车的低排放、动力性、经济性、安全性和舒适性越来越好。

例如，汽车发动机电子喷油系统，开创了电子技术在汽车上应用的先河，极大地提高了

汽车的节能潜力，降低了汽车尾气排放。中国的汽车尾气排放标准，从国I至国V标准，电

子技术对发动机的管理与控制起到了关键作用。

例如，汽车的自动换挡系统，降低了驾驶员的劳动强度，这是电子技术与机械技术的完

美结合的典范。

例如，汽车的安全气爽，通过电子技术检测汽车冲击等，控制气囊的弹出，最大程度保

护驾驶员和乘员的免受致命伤害。

1.2.2(2)答：

电动汽车的动力系统有三种基本形式，即纯电动、混合动力和燃料电池动力。

纯电驱动系统是指由车载动力蓄电池组为驱动电机提供电能，由驱动电机推动汽车行驶

的电动汽车动力系统结构形式。

混合动力系统是指由两种或两种以上二次能源提供能量，通过机电装置转化为机械能推

动汽车行驶的电动汽车动力系统结构形式。常用的混合驱动系统有串联、并联和混联三种结

构，串联混合动力系统通常指由车载燃油发电机组(也称为增程器)和动力蓄电池组共同为

驱动电机提供电能而推动汽车行驶的电动汽车动力系统。并联混合动力系统通常由燃油发动

机和驱动电机共同推动汽车行驶的电动汽车动力系统，结构形式多样。燃料电池动力系统其

实是一种串联混合动力系统结构，只是将燃料电池发电系统作为车载燃油发电机组向已。

需要指出的是，还有一种具有与公用电网连接功能的混合动力电动汽车，该动力系统常

称为插电式混合动力汽车系统。

1.2.3(3)答:

整流技术、逆变技术和直流转换技术是功率电子学的三大电源变换方法，已经完全集成

在电动汽车技术中，如图1所示。

电动汽乍

图1电动汽车技术与功率电子学的密切关系

逆变技术：交流电动机四象限运行，纯电动汽车前行时驱动电动机处于电动状态，需要

将直流电转换为交流电。

整流技术：纯电动汽车制动时驱动电动机可处于发电状态，需要将汽车的机械能转换为

电能存储在动力蓄电池组中，交流电机再生制动时将交流电转换为直流电。电动汽车停车

充电时，车载充电器将公用电网的单相或三相50Hz/60Hz交流电转换为电流/电压幅值可控的

直流电，对动力蓄电池组充电。

DC/DC技术：电动汽车两种直流母线电压之间需要转换，往往需要一种直流-直流转换

器将动力蓄电池的高电压转换为诸如车灯、雨刷、音响等低压电器使用的低电压14V/24Vo

2.2答案

2.2.1解:

已知电流的峰值Ip为100A。

(a)

①计算图1.48(a)的电流平均值和有效值。

电流平均值lave

-2L

2万

«0.48Ip=0.48x100

乏48A

电流有效值Irms

*63A

②在图(a)电流波形下，开关内阻R为10mQ时开关电压降平均值5和峰值攻率损

耗PFO

5=RLc=0.01x48=0.48V

22

PF=R.Ip=0.01xl00=100W

(b)

①计算图1.48(b)的电流平均值和有效值。

电流平均值lave

6

«16.7A

电流有效值Irms

«0.4llp=0.41x100

p41A

②在图（b）电流波形下，开关内阻R为10mQ时开关电压降平均值UF和峰值比率损

耗Pro

UF=RiIavc=0.01xl6.7«0.17V

PF=RL；=0.01xlOO2=100W

2.2.2解:

已知发光二极管的额定电流IF为0.3A,压降5为2.0V,电源电压11VWUSW14V,

那么限流电阻Rf的计算公式为

「US-UF=5-2

*0.3

30Q<Rf<40。

当Rf取最小值30。时，发光二级管流过的最大电流Imax为

【max=11ZZ=（）.4A,

Rf,min30

此时，发光二级管超过额定电流100mA,相对误差为3333%。

P.nax=UFImax=2x0.4=0.8W

当Rf取最小值30。时,发光二级管流过的最小电流Imin为0.3Ao

当Rf取最大值40。时,发光二级管流过的最小电流1mm为

Inin二%汨-6==0.225A

Rf.max40

此时，发光二级管比额定电流减小75mA,相对误差为-25%。

Pm*UJm.2x0.225=0.45W

当Rf取最大值40。时，发光二级管流过的最大电流Imax为0.3Ao

结论：由于蓄电池电源电压在11V至14V变化，为了使发光二极管正常发光，最好使

电阻Rf在30。至40。之间跟随电源电压的变化，保持发光二极管的电流为额定值。一般而

言，发光二极管的峰值电流允许超过额定值的150%,即0.45A。因此，电阻Rf可在30。至

40。之间取值，相应发光二极管的功率在0.45W至0.8W之间变化。

2.2.3答：

对于容量C为2200uF、耐压Uc,max为450V的一个电解电容，如果初始电压Us为零,

不能够直接并联一个极性相同的400V直流电源Ed。原因解释如下描述。

电容的电流ic与电容电压及其容量的数学关系式如下。

.。—一—以，+加）-今（）

dt3\t

当t=0时刻，如果电容两端并联一个直流电源，存在

A/->02

640C

=2200xl0-xlim'-°o

&T。A，

=0.88lim———>+8

soz

上式说明，初始状态为零的电容直接并联一个直流电源，理想电容的电流无穷大，实际有微

小内容的电容的冲击电流也很大，极易烧毁电容。

为了正确对电容充电，必须有一个限流电阻&，确贝电流的充电电流在允许范围之内。

如果本题电容允许的最大充电电流为10A,那么限流电阻值计算公式如下。

R_Ed-uc（O）

nc-一：

"c.max

400-0

-o

10

=40Q

2.2.4答：

对于线性电感而言，电感L的电压血与其电流力的数学关系如下。

Wi=LA=Lliml^dziWo

dt&-»oAr

上式表明电感的电流不能发生突变，否则产生极高的电感电压。

功率电子电路的电流续流和换流过程正是通过功率二极管的单向导电特性为不能突变

的电感甩流提供连续的电流回路，使电感不产生高电压，避免损坏功率电子电路器件。

在电流续流和换流的功率电子电路中，电感是一个电流源。

2.2.5答：

通常，硬开关技术通常功率半导体开关的开关电流或电压存在较大冲击的功率电子技

术，开关损耗大，开关频率受限，电磁干扰大。而软开关技术则是通过外围的无源器件促使

功率半导体开关在开通或关断时的功耗几乎为零，零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）

两种常用的软开关技术。2Vs软开关技术的特点为功率半导体器件开关过程的电压为零或近

乎为零，ZCS软开关技术的特点则是功率半导体器件开关过程的电流为零或近乎为零。

2.2.6解：

对于图1.50,已知Uo=72V,RL=4Qo

①如果要求电阻RL的平均工作电压Uave为12V,忽略晶体管VT的通态压降，则晶体

管VT基极的控制电源的占空比6为

3=嗅u乂100%=1=2x100%36.7%。

〃72

显然，纯电阻负载RL的电流、功率波形与电压波形相同，都是周期为IES,占空比为16.7%

的矩形波，只是幅值和单位不同。电阻RL电压的幅值5为72V,其电流幅值％为18A,其

功率幅值为它们的波形如图题答案所示。

Pp1.296kW,6

②如果电阻RL后串联一个电感，并与直流电源连接，在PWM占空比控制晶体管VT

导通和关断情况下，晶体管VT有可能被过压击穿。这是由于•电感的电流不能突变的原因，

当晶体管VT导通时，电感流过非零电流；当VT关断时，这个电感电流没有回路，造成电

感电流瞬间变化至零，电感电压极性反向，生成的电感感应电压叠加在电源电压上，形成一

个电压浪涌作用在晶体管为集电极和发射极之间。

如果在这个串联的电感和电阻两侧并联•个与直流电源极性相反的功率二极管，形成电

感电流的续流回路，将避免晶体管过压击穿的风险。

2.2.7答：

SPWM的工作原理是：对直流脉冲的宽度进行正弦调制，即通过对一系列脉冲的宽度进

行正弦调制，来等效地获得幅值、频率可调的正弦波。

SPWM技术依据采样控制理论的面积等效原理，即冲晟相等而形状不同的窄脉冲施加在

具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积，效果基本相同是指环节的输

出响应波形基本相同。

SPWM的生成方法是：

（1）把正弦波分成N等分，形成N个彼此相连的脉冲列形成的波形。这些窄脉冲

宽度相等为pi/N,幅值不等，按正弦规律变化。

（2）利用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，时矩形脉冲的中点和相应正弦

波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦波脉冲的面积相等，就得到幅

值相等、变度按正弦规律变化的PWM波。

（3）根据面积等效原理，SPWM波形和期望得到的正弦波作用在相同的惯性环节

上冲量等效。

2.2.8答：

比较高端开关和低端开关对负载的作用：（1）高端开关将负载与直流电源的正极隔离，

使得负载在高端开关断开时仅与地连接，安全性高。（2）低端开关将负载与直流电源的负极

隔离，使得负载在低端开关断开时与电源的正极连接，绝缘要求高。

对三极管而言，高端开关为PNP类型，低端开关为NPN类型。

2.2.9答：

在功率电子系统中，PWM周期控制电力半导体开关，定义一个开关周期的平均算子

&（矶="广"⑺"0

其中，x/。为电力电了•电路的状态变量，7；为PWM周期。

假设xm连续，且在一个开关周期内微小变化，那么

八广口⑺〉"工。

其中，A为PWM周期的时间系数（0~100%）o显然，

「'（叫打=卜（少产。

也就是，在一个PWM开关周期内，状态的时间积分等价于状态平均与时间之积。

当每个PWM开关周期完成后，电力电子电路的状态又回到起点和终点相同的一点，此

时的电力电子电路进入了周期稳定状态（PSS：periodstabilitystate）＜.因此，PSS电路的状态

平均为常数。

状态平均的欧姆定律：

PWM开关周期下的电感电压和电流的状态平均特性方程可表达为

M（少"乙，&（呕。

PWM开关周期下的电容C的电压女和电流的状态平均特性方程可表达为

仁⑻「。务c（小。

PSS下的基尔霍夫定律：

基尔霍夫电压定律完全适用功率电子电路的状态平均，称为平均基尔霍夫电压定律。，

对于一个电压回路，存在：Z"⑺〉7二°，

对于一个电流节点，存在：

第3章器件工作原理

3.1习题2

3.1.1(1)功率半导体器件是如何定义和分类的？同处理信息的半导体器件

相比，它有什么特点？

3.1.2(2)功率的二极管在恢复阻断能力时为什么会形成反向电流和反向电

压过冲？这与它们的单向导电性能是否矛盾？这种反向电流在电路使用中会带

来什么问题？

3.1.3(3)如何用万用表确定一个功率二极管的阳极和阴极？

3.1.4(4)功率晶体管的安全工作区是如何定义的？它的二次击穿特性是什

么？

3.1.5(5)使晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关

断？

3.1.6(6)MOSFET有哪几种类型？它的压控原理是什么？它的转移特性是

什么？

3.1.7(7)功率MOSFET通常会有哪些寄生器件，其表征参数有何意义？

3.1.8(8)试描述功率MOSFET的开关特性？

3.1.9(9)如何防止功率MOSFET因静电感应造成的损坏？

3.1.10(10)IGBT的通态工作等效电路如何表示？IGBT和功率MOSFET的

开关特性有何区别？

3.1.11(11)IGBT有哪几种安全工作区？试说明其含义？

3.1.12(12)试说明功率半导体器件晶闸管、功率晶体管、功率MOSFET和

IGBT各自的优缺点。

3.2答案

3.2.1答：

相对于信息处理的半导体器件而言，功率半导体器件是具有控制功率电路的高压大电流

回路的开关功能的半导体器件，具有高开关频率的开关功率大、功耗大、专用控制电路，在

导通和截止两个状态之间切换工作。

就控制类型而言，功率半导体器件分为不可控型、半控型和全控型。就器件门极或

栅极的控制作用而言，功率半导体器件分为电流控制型和电压控制型。

3.2.2答：

功率二极管在恢更阻断能力时形成反向电流和反向电压过冲的原因是：功率二极管正向

导通时载流子注入的电荷存储效应导致在少子PN结附近的积聚，从正偏向反向切换的功率

二极管必须将这些存储的电荷抽取，形成了一个反向电流的恢兔过程和反向电压现象。

单向导电特性是功率二极管静态的理想特性，实际的功率二极管有一个正反向的伏安特

性。功率二极管在反向恢复电流期间保持反向导通状态，限制了功率二极管的快速开关特性。

因此，在开关频率要求高的功率电路，应选用合适的快恢复特性的功率二极管。

3.2.3答：

将数字万用表旋钮拨到其短路/二极管指示档位，用红表笔和黑表笔分别连接功率二极

管的两端。如果万用表显示的数值在几百欧姆以下，则汇初步确定红表笔连接的一端为功率

二极管的正极，黑表笔连接的一端为功率二极管的负极。将红表笔和黑表笔交换测最该功率

二极管，如果万用表显示的数值为无穷大，则可最终完全确定功率二极管的极性的正确性。

3.2.4答：

（1）功率晶体管的正向偏置安全工作区FBSOA是指正向基极电流下，功率晶体管

开通时所能承受的最大电流和最大电压，它是由电流极限、电压极限、功耗极限和二次击穿

极限的边界线限定的区域，反向偏置安全工作区RBSOA是指基极一发射极电压反偏，基极

电流反向，功率晶体管关新时所能承受的最大电流和最大电压的安全工作区。

（2）如果共射极功率晶体管的集电极与发射极之间施加正向偏置电压，在基极开路

的情况下，发射结正偏，集电结反偏。当集电极反偏电压增大到某一数值时，集电极电流急

剧增加，此时出现的雪崩击穿现象称为功率晶体管的一次击穿。如果集电极的偏置电压继续

卜升,集电极电流增大到某一临界值时,功率晶体管的集电极一发射极之间的电乐突然降低.

而集电极电流继续增大，这种现象称为功率晶体管的二次击穿。二次击穿的功率晶体管往往

是热击穿，容易造成器件的损坏。

3.2.5答：

（1）晶闸管的导通条件：阳极和阴极电压正向偏置，施加一定强度和持续一定时间

的门极触发脉冲，导通电流不小于晶闸管的擎住电流。

（2）晶闸管关断的条件：阳极和阴极电压反向偏置，导通电流小于晶闸管的维持电

流，门极触发脉冲消失。

3.2.6答：

（1）MOSFET的类型：N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型、P沟道耗尽型。

（2）MOSFET的压控原理：当在栅极和源极之间施加偏压时，漏极、源极之间的衬

底半导体出现反型层的导电沟道。若漏极、源极间偏压，载流子只有一条从源极到漏极通过

导电沟道的通道。采用共源极电路的增强型N沟道的MOSFET1＞如果MOSFET工作在放大

方式，调节栅极、源极间电压，能够改变漏极、源极间电流的大小。如果工作在开关方式，

栅极、源极间电压小于阈值电压，MOSFET截止，反之则导通。

（3）MOSFET的转移特性：是指漏极源极间电流随栅极源极间电压变化的关系。

3.2.7答：

功率MOSFET常有电阻、二极管和双极结型晶体管三种寄生器件。寄生电阻表征功率

MOSFET的通态压降和功耗，二极管表征功率MOSFET的反向导通能力，晶体管表征功率

MOSFET二次击穿能力。

3.2.8答：

功率MOSFET的开关特性包括开通过程和关断过程，主要是与栅极相关的寄生电容的

充、放电过程，测试电路和测试波形如图2.24所示。器件的开通过程如下。

(1)0时刻：随着栅极偏压〃”的接通，栅极的脉冲电流i「向栅极、源极间电容充电，栅

极、源极间电压〃z开始增大，器件尚未开通。

(2)《时刻：栅极、源极间电容继续充电，栅极、源极间电压〃增大至小，器件开始导

0GoIII

通，漏极电流《开始增大，漏极、源极间电压昨,从Uf开始下降。

L*L*L*

(3)4时刻：栅极、源极间电容C”充电完毕，漏极、源极间电阻随着栅极偏压的增大而减

小。栅极、漏极间电容C力开始显现Miller效应，随着漏极、源极间电压的减小而增大〈栅

GD

极保持恒定的电流时栅极、漏极间电容充电，栅极、源极间电压也保持恒定。

(4)G时刻：栅极、漏极间电容充电完毕，栅极、漏极间电容的Miller效应结束，器件完全

导通，表征为一个很小的通态电阻，漏极电流稳定。

(5)4时刻：栅极电容维续充电至U,棚极、偏压升至稳定的电源电压U,栅极电流

衰减至一个微弱的维持电流。

图2.24功*MOSFET的开美打性测试

3.2.9答：

功率MOSFET的栅极绝缘层很薄弱，容易被静电击穿而损坏。功