2022年电力电子学-课后复习及思考题-答案 .pdf

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1、学而不思则惘，思而不学则殆第一章1-1. 电力技术、电子技术和电力电子技术三者所涉及的技术内容和研究对象是什么？三者的技术发展和应用主要依赖什么电气设备和器件？答：电力技术涉及的技术内容：发电、输电、配电及电力应用。其研究对象是：发电机、变压器、电动机、输配电线路等电力设备， 以及利用电力设备来处理电力电路中电能的产生、传输、分配和应用问题。其发展依赖于发电机、变压器、电动机、输配电系统。其理论基础是电磁学 ( 电路、磁路、电场、磁场的基本原理 )，利用电磁学基本原理处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。电子技术，又称为信息电子技术或信息电子学， 研究内容是电子器件以及利用电子器件来处

2、理电子电路中电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题。其研究对象:载有信息的弱电信号的变换和处理。其发展依赖于各种电子器件（二极管、三极管、MOS 管、集成电路、微处理器电感、电容等） 。电力电子技术是一门综合了电子技术、 控制技术和电力技术的新兴交叉学科。 它涉及电力电子变换和控制技术技术，包括电压 （电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。研究对象：半导体电力开关器件及其组成的电力开关电路， 包括利用半导体集成电路和微处理器芯片构成信号处理和控制系统。 电力电子技术的发展和应用主要依赖于半导体电力开关器件。1-2. 为什么三相交流发电机或公用电网产生的恒频、恒压交流电，经电压、频

3、率变换后再供负载使用，有可能获得更大的技术经济效益？答：用电设备的类型、功能千差万别，对电能的电压、频率、波形要求各不相同。为了满足一定的生产工艺和流程的要求， 确保产品质量、提高劳动生产率、降低能源消耗、提高经济效益，若能将电网产生的恒频、 恒压交流电变换成为用电负载的最佳工况所需要的电压、频率或波形，有可能获得更大的技术经济效益。例如：若风机、水泵全部采用变频调速技术， 每年全国可以节省几千万吨以上的煤，或者可以少兴建上千万千瓦的发电站。 若采用高频电力变换器对荧光灯供电， 不仅电-光转换效率进一步提高、光质显著改善、灯管寿命延长35 倍、可节电 50% ，而且其重量仅为工频电感式镇流器的

4、10% 。高频变压器重量、体积比工频变压器小得多，可以大大减小钢、铜的消耗量。特别在调速领域，与古老的变流机组相比，在钢铜材消耗量、重量、体积、维护、效率、噪音、控制精度和响应速度等方面优势明显。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆1-3. 开关型电力电子变换有哪四种基本类型？答： 有如下四种电力变换电路或电力变换器，如图所示：(1) 交流（A.C）直流（D.C）整流电路或整流器； (2) 直流（D.C）交流（A.C）逆变电路或逆变器；(3) 直流 （D.C） 直流 （D.C）电压变换电路，

5、又叫直流斩波电路、直流斩波器；(4) 交流（ A.C）交流（ A.C）电压和 / 或频率变换电路：仅改变电压的称为交流电压变换器或交流斩波器， 频率、电压均改变的称为直接变频器。1-4. 图 1.6(a) 所示的开关电路实现 DC-AC 逆变变换的基本原理是什么？从开关电路的输出端CD能否直接获得理想的正弦基波电压？直流电源输出到开关电路输入端 AB的直流电流是否为无脉动连续的直流电流？答：(1) DC/AC 逆变电路的可以采用三种控制方案：A、180方波；B、小于 180单脉冲方波； C、PWM 控制。基本原理分别如下： : A、180方波。当要求输出交流电的频率为f时，在半周期fT2/12

6、/内使 S1、S4导通， S2、S3阻断，则逆变电路输出电压DCDOVvv；令随后的2/T时间内 S2、S3导通，S1、S4阻断，则逆变电路输出电压为负的电源电压（DV） 。因此Ov是频率为f、幅值为DV的交流方波电压，如图 1.6(b) 所示。对Ov进行傅立叶分解，得到其基波电压有效值为/222/41DDVVV，大小取决于直流电源的电压；基波角频率Tf/22，取决于开关的工作频率。 其中含图1.2 电力变换类型图1.6 基本逆变电路及波形精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆有大量的高次谐波

7、经LC滤去后，负载可获得正弦交流基波电压1v。B、小于 180单脉冲方波。类似 180方波控制，但是仅在半周的一部分时间onT内让相应的开关导通， 则)(CDOvv将是导电时间小于 T/2，导电宽度角小于的矩形波，如图 1.6(c) 所示进行傅立叶分解， 得到基波电压有效值为2sin222sin2141DDVVV或)/sin(221TTVVonD。显然，控制导通时间可以控制输出电压基波大小， 而输出电压的频率 f 仍取决于开关工作频率。C 、若采用高频开关 PWM 控制策略，则交流输出电压Ov为图 1.6(d) 所示的脉冲宽度调制（PWM）的交流电压，输出电压波形Ov更接近正弦波且其中谐波电压

8、的频率较高，只需要很小的LC滤波就可得到正弦化的交流电压。其性能远优于单脉波的方波逆变方案。（2）不能直接获得理想的正弦基波电压。（3）是有脉动非连续的直流电流。1-5. 开关型电力电子变换器有那些基本特性？答： （1）变换器的核心是一组开关电路， 开关电路输出端电压和开关电路输入端电流都不可能是理想的直流或无畸变的正弦基波交流，含有高次谐波。(2) 要改善变换电路的输出电压和输入电流的波形，可以在其输出、输入端附加LC滤波电路；但是最有效方法是采用高频PWM 控制技术（3）电力电子变换器工作时，开关器件不断进行周期性通、断状态的依序转换，为使输出电压接近理想的直流或正弦交流， 一般应对称地安

9、排一个周期中不同的开关状态及持续时间。因此对其工作特性的常用分析方法或工具是： 开关周期平均值（状态空间平均法）和傅立叶级数。1-6. 开关型电力电子变换器有哪两类应用领域？答：按功能可分为两大应用领域：（1） 开关型电力电子变换电源或简称开关电源。由半导体开关电路将输入电源变换为另一种电源给负载供电。这一类应用现在已经十分广泛。 （2） 开关型电力电子补偿控制器。它又分为两种类型：电压、电流（有功功率、无功功率）补偿控制器和阻抗补偿控制器。 它们或向电网输出所要求的补偿电压或电流，或改变并联接入、串联接入交流电网的等效阻抗， 从而改善电力系精选学习资料 - - - - - - - - - 名

10、师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆图2.3 二极管伏安特性统的运行特性和运行经济性。这类应用将导致电力系统的革命并推动电力电子技术的继续发展步。第二章2.1 说明半导体 PN 结单向导电的基本原理和静态伏-安特性。解答：PN 结 半导体二极管在正向电压接法下（简称正偏），外加电压所产生的外电场eE与内电场iE方向相反，因此PN 结的内电场被削弱。内电场iE所引起的多数载流子的漂移运动被削弱，多数载流子的扩散运动的阻力减小了，扩散运动超过了反方向的漂移运动。大量的多数载流子能不断地扩散越过交界面，P区带正电的空穴向N 区扩散，N 区带负电的电

11、子向P区扩散。这些载流子在正向电压作用下形成二极管正向电流。二极管导电时， 其 PN 结等效正向电阻很小，管子两端正向电压降仅约1V 左右 （大电流硅半导体电力二极管超过1V， 小电流硅二极管仅0.7V，锗二极管约 0.3V） 。这时的二极管在电路中相当于一个处于导通状态（通态）的开关。PN 结半导体二极管在反向电压接法下（简称反偏）外加电压所产生的外电场eE与原内电场iE方向相同。因此外电场使原内电场更增强。多数载流子（P区的空穴和 N 区的电子）的扩散运动更难于进行。这时只有受光、热激发而产生的少数载流子（P区的少数载流子电子和N 区的少数载流子空穴）在电场力的作用下产生漂移运动。因此反偏

12、时二极管电流极小。在一定的温度下，二极管反向电流RI在一定的反向电压范围内不随反向电压的升高而增大，为反向饱和电流SI。因此半导体 PN 结呈现出单向导电性。其静态伏安特性曲线如左图曲线所示。但实际二极管静态伏安特性为左图的曲线。二极管正向导电时必须外加电压超过一定的门坎电压thV（又称死区电压），当外加电压小于死区电压时，外电场还不足以削弱PN 结内电场，因此正向电流几乎为零。 硅二极管的门坎电压约为0.5V，锗二极管约为 0.2V，当外加电压大于thV后内电场被大大削弱，电流才会迅速上升。二极管外加反向电压时仅在当外加反向电压RV不超过某一临界击穿电压值RBRV时才会使反向电流RI保持为反

13、向饱和电流SI。实际二极管的反向饱和电流SI是很小的。但是当外加反向电压RV超过RBRV后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆2.2 说明二极管的反向恢复特性。解答： 由于 PN 结间存在结电容C，二极管从导通状态（C 很大存储电荷多）转到截止阻断状态时， PN 结电容存储的电荷Q并不能立即消失，二极管电压仍为DV1 2V，二极管仍然具有导电性，在反向电压作用下，反向电流从零增加到最大值，反向电流使存储电荷逐渐消失，二极管两端电压DV降为零。这时二极管才恢复

14、反向阻断电压的能力而处于截止状态，然后在反向电压作用下， 仅流过很小的反向饱和电流SI。因此，二极管正向导电电流为零后它并不能立即具有阻断反向电压的能力，必须再经历一段反向恢复时间rrt后才能恢复其阻断反向电压的能力。2.3 说明半导体电力三极管BJT 处于通态、断态的条件。解答：电力三极管 BJT 处于通态的条件是： 注入三极管基极的电流BI大于基极饱和电流BSI（已知三极管的电流放大系数，有/CSBSII） 。这时三极管0Tr、导电性很强而处于最小等效电阻、 饱和导电状态， 可以看作是一个闭合的开关。 BJT 处于断态的条件是： 基极电流BI为零或是施加负基极电流，即0BI。这时 BJT

15、的等效电阻近似为无限大而处于断态。2.4 电力三极管BJT 的四个电压值CEXBV、CESBV、CERBV和CEOBV的定义是什么？其大小关系如何？解答：CEXBV、CESBV、CERBV和CEOBV分别为不同基极状态下的三极管集-射极击穿电压值：CEXBV定义为基极反偏时，三极管集-射极电压击穿值；CESBV为基极短接、基极电压为0 时，三极管集 -射极电压击穿值；CERBV为基极接有电阻短路时的集-射极击穿电压值要；CEOBV为基极开路时集 -射极击穿电压值。其大小关系为：CEOCERCESCEXBVBVBVBV。2.5 说明晶闸管的基本工作原理。在哪些情况下， 晶闸管可以从断态转变为通态

16、？已处于通态的晶闸管，撤除其驱动电流为什么不能关断，怎样才能关断晶闸管？解答： 基本工作原理：见课本p36-37；应回答出承受正向压、门极加驱动电流时的管子内部的正反馈过程，使21不断增大，最后使121，AI很大，晶闸管变成通态；撤去门极电流后由于121，仍可使)(1210IIA很大，保持通态。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆有多种办法可以使晶闸管从断态转变成通态常用的办法是门极触发导通和光注入导通。另外正向过电压、 高温、高的dtdv都可能使晶闸管导通，但这是非正常导通情况。要使晶闸管

17、转入断态，应设法使其阳极电流减小到小于维持电流HI，通常采用使其阳极A 与阴极 K 之间的电压AKV为零或反向。2.6 直流电源电压SV220V，经晶闸管 T 对负载供电。 负载电阻 R 20 ，电感L=1H，晶闸管擎住电流LI=55mA，维持电流HI=22mA ，用一个方波脉冲电流触发晶闸管。试计算： 如果负载电阻 R 20 ，触发脉冲的宽度为300s，可否使晶闸管可靠地开通？ 如果晶闸管已处于通态，在电路中增加一个1K 的电阻能否使晶闸管从通态转入断态？ 为什么晶闸管的擎住电流LI比维持电流HI大？解答： (1) 设晶闸管开通：sVtRidttdiL)()(，由此可解出：当ust300时，

18、mAImAtiL558.65)(，所以可以使晶闸管可靠导通。(2) 加入 1K电阻后，有mAImARRViHs227.215，不能使晶闸管由通态转入断态。(3) 为什么晶闸管的擎住电流比维持电流大：擎住电流和维持电流都是在撤去门极驱动电流的条件下定义的，因此阳极电流)(1210IIA。但维持电流是在通态时考虑的，此时管子已工作在较大电流状态下，管内结温较高，此时的PN 结漏电流 Io 随结温增大，导通能力强，因此必须要降低AI才能关断晶闸管； 而擎住电流是在断态向通态变化时定义的，开始有驱动信号但未完全导通时，晶闸管工作时间短，结温低，PN 结漏电流 Io 不大，导通能力弱，需要较大的阳极电流

19、才能使管子开通。2.7 额定电流为 10A 的晶闸管能否承受长期通过15A 的直流负载电流而不过热？解答： 额定电流为 10A 的晶闸管能够承受长期通过15A 的直流负载电流而不过热。因为晶闸管的额定电流RI是定义的：在环境温度为40和规定的散热冷却条件下，晶闸管在电阻性负精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆图2.17 P-MOSFET基本结构 符号 外接电路及特性载的单相、工频正弦半波导电、结温稳定在额定值125时，所对应的通态平均电流值。这就意味着晶闸管可以通过任意波形、有效值为 1.5

20、7RI的电流，其发热温升正好是允许值，而恒定直流电的平均值与有效值相等，故额定电流为10A 的晶闸管通过15.7A 的直流负载电流， 其发热温升正好是允许值。2.8 说明 GTO 的关断原理。解答： 在 GTO 的设计制造时，等效晶体管T2 的集电极电流分配系数a2较大。当 GTO 处于通态时，突加一个负触发电流-Ig，使 a2减小，1-a2变大，CI急剧减小，就是阳极电流AI急剧减小，又导致电流分配系数a2和 a1 减小，使1Ci急剧减小，又使CI、AI减小。在这种循环不已的正反馈作用下，最终导致GTO 阳极电流减小到维持电流以下，GTO 从通态转入断态。2.9 说明 PMOSFET 栅极电

21、压GSV控制漏极电流DI的基本原理。解答：当右图中 P-MOSFET 漏源极间电压DSV为零、栅源极之间电压GSV也为零时， N 型半导体与 P 型半导体之间要形成PN 结空间电荷区（耗尽层）阻挡层，此时G-S之间和 D-S 之间都是绝缘的。 当漏极 D 与源极 S之间有外加电压DSV时， 如果栅极、源极外加电压GSV=0， 由于漏极 D(N1)与源极 S(N2)之间是两个背靠背的PN 结(PN1、PN2)，无论DSV是正向电压还是负电压，都有一个PN 结反偏，故漏源极之间也不可能导电。 当栅、源极之间外加正向电压GSV0 时，GSV在 G-P 之间形成电场，在电场力的作用下P 区的电子移近

22、G 极，或者说栅极 G 的正电位吸引P区的电子至邻近栅极的一侧，当GSV增大到超过某一值GSthV值时， N1和 N2中间地区靠近G 极处被 G 极正电位所吸引的电子数超过该处的空穴数以后，栅极下面原空穴多的P型半导体表面就变成电子数目多的N 型半导体表层， 栅极下由栅极正电位所形成的这个N 型半导体表层感生了大量的电子载流子，形成一个电子浓度很高的沟道（称为 N 沟道） ，这个沟道将 N1和 N2两个 N 区联在一起， 又使 N1P 这个被反偏的 PN 结 J1消失，成为漏极 D 和源极 S之间的导电沟道，一旦漏源之间也有正向电压DSV，就会形成漏极电流DI。在GSV=0 时，DSV不能产生

23、电流，DI=0，仅在GSV增大到GSV=GSthV以后，才使G-P 之间的外电场增强，形成自由电子导电沟道，才能产生漏极电流DI，这种改变栅极G 和源极 S 之间外加电压GSV，即可控制漏极电流DI的作用称为电导调制效应。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆2.10 作为开关使用时PMOSFET 器件主要的优缺点是什么？解答： 作为开关使用时， PMOSFET 器件的优点是：输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高；其缺点是：通态压降大（通态损耗大），电压、电流定额低。2.11 列表

24、比较 BJT、SCR、GTO、PMOSFET 、IGBT、MCT 以及 SIT 七种可控开关器件对触发（或驱动）电流（或电压）波形的要求，及主要优缺点。解答：2 13 BJT SCR GTO P MOSFET IGBT MCT SIT 的对比器件对触发信号波形的要求开关频率单极或双极主要优点主要缺点BJT （电流 型全控器件）正持续基极电流控制开通；基极电流为 0 则关断中双极通态压降小，通态损耗小驱动功率大；频率低SCR （电流 型半控器件）正脉冲门极电流控制开通；触发信号不能控制关断低双极通态压降小，通态损耗小驱动功率大，频率低GTO （电流 型全控器件）正脉冲门极电流控制开通；负脉冲门极

25、电流（较大）控制关断低双极通态压降小，通态损耗小驱动功率大，频率低P MOSFET（电压 型全控器件）正持续栅极电压控制开通；负持续栅极电压控制并保持关断高单极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高通态压降大（通态损耗大）电压、电流定额低IGBT （电压 型全控器件）正持续栅极电压控制开通；负持续栅极电压控制并保持关断较高双极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高通态压降大（通态损耗大）MCT （电压 型全控器件）正脉冲电压控制开通；负脉冲电压控制关断较高 （低于 IGBT) 双极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高通态压降大（通态损耗大）STI 持续电压控制断

26、、通高单极输入阻抗高，驱通态压降大（通精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆（电压 型全控器件）动功率小，驱动电路简单，工作频率高态损耗大）2.12 21 世纪电力电子开关器件最可能的重大技术发展是什么？解答：21 世纪电力电子开关器件最可能的重大技术发展是将半导体电力开关器件与其驱动、缓冲、监测、控制和保护等所有硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。PIC 器件把电力电子变换和控制系统中尽可能多的硬件以芯片的形式封装在一个模块内，使之不再有额外的引线联接，不仅极大地方便了使用，而且能大大

27、降低系统成本，减轻重量，缩小体积，把寄生电感减小到几乎为零，大大提高电力电子变换和控制的可靠性，PIC 实现了电能与信息的集成，如果能妥善解决 PIC 内部的散热、隔离等技术难题，今后PIC 将使电力电子技术发生革命性的变革。第三章3.1 直流直流电压变换中开关器件的占空比D是什么？推证图3.1(c)所示脉宽时间为onT、脉宽角度为、周期为ST、幅值为SV的方波脉冲电压)(tvO的直流平均值及各次谐波的幅值。解答： 占空比D是开关管导通时间onT与开关周期ST的比值。图 3.1(c) 中方波脉冲电压)(tvO可以表示为如下傅立叶表达式：1)cos()sin(2)(nSSOtnnDnVDVtV其

28、中常数项为直流平均值，即SODVV；各余弦项为各次谐波，其幅值为：)sin(2)2sin(2nDnVnnVaSSn。3.2 脉冲宽度调制PWM 和脉冲频率调制PFM 的优缺点是什么？解答： 脉冲宽度调制方式PWM，保持ST不变（开关频率不变） ，改变onT调控输出电压0V。脉冲频率调制方式PFM 。保持onT不变，改变开关频率或周期调控输出电压0V。实际应用中广泛采用PWM 方式。因为采用定频PWM 开关时，输出电压中谐波的频率固定，滤波器设计容易，开关过程所产生电磁干扰容易控制。此外由控制系统获得可变脉宽信号比获得可变频率信号容易实现。但是在谐振软开关变换器中为了保证谐振过程的完成，采用PF

29、M控制较容易实现。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆3.3 Buck 变换器中电感电流的脉动和输出电压的脉动与哪些因数有关，试从物理上给以解释。解答： 电感电流的脉动量与电感量L 、开关频率Sf、输入电压SV、输出电压OV有关，输出电压的脉动量与电感量L 、电容量C、开关频率Sf、输出电压OV有关。电感量 L 、电容量C越大其滤波效果越好， 而开关频率Sf越高，滤波电感的交流阻抗L就很大， 它对直流电压的阻抗基本为 0，同时滤波电容的交流阻抗L1很小。3.4 Buck 变换器断流工况下的变

30、压比M与哪些因数有关，试从物理上给以解释。解答：Buck 变换器在电流断续工况下其变压比M 不仅与占空比D 有关，还与负载电流OI的大小、电感 L 、开关频率Sf以及电压OV等有关。3.5图 3.2(a)、3.5(a)电路稳态时在一个开关周期中，电感电流的增量0LI，电感L的磁通增量是否为零， 为什么？电容C的电流平均值为零， 电容C端电压的增量是否为零， 为什么？解答： 电路处于稳态时，在一个开关周期内电感电流的增量0LI，同时电感L的磁通增量0，因为如果一个周期内电感的磁通增量0 ，那么电感上的磁通将无法复位，也即电感上的能量不断累积，最终将达到饱和，甚至烧毁电感，所以稳态工作时应使一个开

31、关周期内电感L的磁通增量0。电容C的电流平均值为0，那么电容C端电压的增量也为0，因为稳态时一个周期内电容上的充电电荷等于放电电荷，即电容上电荷增量0Q，而电容端电压增量CQuc，故电容C端电压的增量也为0。3.6Buck 变换器中电流临界连续是什么意思？当负载电压OV、电流OI一定时在什么条件下可以避免电感电流断流? 解答：Buck 变换器中电感电流临界连续是指处于电感电流连续和电感电流断流两种工况的临界点的工作状态。这时在开关管阻断期结束时，电感电流刚好降为零。当负载电压OV、电流OI一定时增大电感量L和提高开关频率Sf都可以避免电感电流断流。3.7开关电路实现直流升压变换的基本原理是什么

32、？解答： 为了获得高于电源电压SV的直流输出电压OV，一个简单而有效的办法是在变换器开关管前端插入一个电感 L，如右图所示。在开关管T 关断时，利用图中电感线圈 L 在其电流减小时所产生的反电势Le(在电感电流减小时，dtLdieLL/为正值 )，将此电感反电势Le与电源电压SV串联相加送至负载， 则负载就可获得高于电源电压SV的直流电压OV，从而实现直流升压变换。3.8Boost 变换器为什么不宜在占空比D接近 1 的情况下工作？精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆解答： 因为在 Boo

33、st 变换器中，开关管导通时，电源与负载脱离，其能量全部储存在电感中，当开关管关断时，能量才从电感中释放到负载。如果占空比D接近于1，那么开关接近于全导通状态，几乎没有关断时间，那么电感在开关管导通期间储存的能量没有时间释放，将造成电感饱和，直至烧毁。因此Boost 变换器不宜在占空比D接近 1 的情况下工作。同时，从Boost 变换器在电感电流连续工况时的变压比表达式)1/(1/DVVMSO也可以看出，当占空比D接近 1 时，变压比 M 接近于无穷大，这显然与实际不符，将造成电路无法正常工作。3.9升压降压变换器（ Cuk 变换器）的工作原理及主要优点是什么？解答： Cuk 变换器在一个开关

34、周期中，offT期间，令开关管 T 导通，这时电源经电感L1 和 T短路，L1 电流线性增加， 电源将电能变为电感L1 储能，与此同时电容C1 经 T 对 C2 及负载放电，并使电感 L2 电流增大而储能。在随后的offT期间，开关管T 阻断，电感 L1 电流经电容C1 及二极管 D 续流，此时，电感 L2 也经 D 续流， L2 的磁能转化为电能对负载供电。Cuk 变换器的优点是仅用一个开关管使电路同时具有升、降压功能；而且该变换器输入输出电流脉动小。3.10如何理解Cuk 变换器中间电容电压1CV等于电源电压SV与负载电压OV之和，即OSCVVV1？解答： 电感电压dtLdidtdvL/，

35、稳态运行时，一个开关周期ST中电感1L、2L电流增量为零，磁链增量为零，电感两端电压的直流平均值为零。因此Cuk 电路拓扑结构图可直接得到直流平均电压OSCVVV1。3.11直流直流四象限变换器的四象限指的是什么？直流电机四象限运行中的四象限指的是什么？这两种四象限有什么对应关系？解答： 直流直流四象限变换器的四象限指的是变换器的输出电压ABV、输出电流ABI均可正可负的四种组合。直流电机四象限运行中的四象限指的是电机的转速和电磁转矩可正可负的四种组合。对于电机的转速有：eABeABaABeaKVKIRVKEN对于电机的电磁转矩Te：ABTeIKT在励磁电流不变、磁通不变时电机的转速、电磁转矩

36、大小和方向由VAB、IAB决定。通过改变 VAB的大小及 IAB的大小和方向，调控电机在正方向下旋转时的转速及电磁转矩Te的大小和方向，既可使直流电机在电动机状态下变速运行亦可在发电机制动状态下变速运行。因此直流直流四象限变换器的四象限和直流电机运行中的四象限之间存在一一对应的关系，如图3.12(d) 所示 ( 应该画出电路 ) 。3.12多重、多相直流 直流变换器中，多重（重数1m） ，多相（相数1n）指的是什么意义？多重、多相变换器的优点是什么？解答： 假定变换器中每个开关管通断周期都是ST，多重（重数1m）是指：在一个ST周期中变换器负载电流)(tiO脉动 m次（1m） ，即)(tiO脉

37、动频率为Smf。多相（相数1n）是指：在一个ST周期中变换器电源侧电流)(tiS脉动n次，即)(tiS脉动频率为Snf。多重、多相变换器的优点是：其输出电压、输入电流脉动频率比单个变换电路成倍地提高，因而可以显著改善变换器输精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆入、输出特性或者减少变换器对LC 滤波器重量体积的要求，同时多重、多相复合变换器还能扩大变换器的输出容量。3.13说明单端正激、单端反激DC/DC 变换器工作原理。解答： 单端正激DC/DC变换器从电路结构、工作原理上可以看出它是带隔

38、离变压器的Buck电路如图 3.14(b) 所示 (应该画出电路 ) ，开关管 T 导通时经变压器将电源能量直送负载被称为正激。但是匝比N2/N1不同时，输出电压平均值Vo可以低于也可高于电源电压Vd。变压器磁通只在单方向变化被称为单端。图 3.15(b) 所示( 应该画出电路 )为单端反激 DC/DC变换器， T导通的期间，电源电压Vd加至N1绕组，电流1i直线上升、 电感 L1储能增加， 副方绕组 N2的感应电势0DFe，二极管 D1截止，负载电流由电容C提供，C放电；在 T 阻断的期间，N1绕组的电流转移到N2 ， 感应电势0DFe（反向为正） ，使 D1导电，将磁能变为电能向负载供电并

39、使电容C充电。该变换器在开关管T导通时并未将电源能量直送负载，仅在T阻断的期间才将变压器电感磁能变为电能送至负载故称之为反激，此外变压器磁通也只在单方向变化，故该电路被称为单端反激DC/DC 变换器。第四章4.1 逆变器输出波形的谐波系数HF 与畸变系数 DF 有何区别， 为什么仅从谐波系数HF 还不足以说明逆变器输出波形的本质？答：第 n 次谐波系数 HFn 为第 n 次谐波分量有效值同基波分量有效值之比，即 HFnVn/V1,总谐波系数 THD 定义为：4, 3,2211nnVVTHD，畸变系数 DF 定义为：214, 3,2221)(1nnnVVDF，对于第 n次谐波的畸变系数DFn 有

40、：2n12nHFVnVDFnn谐波系数 HF 显示了谐波含量， 但它并不能反映谐波分量对负载的影响程度。很显然， 逆变电路输出端的谐波通过滤波器时，高次谐波将衰减得更厉害，畸变系数DF 可以表征经LC 滤波后负载电压波形还存在畸变的程度。4.2 为什么逆变电路中晶闸管SCR 不适于作开关器件？答： 1.逆变电路中一般采用SPWM 控制方法以减小输出电压波形中的谐波含量，需要开关器件工作在高频状态， SCR是一种低频器件，因此不适合这种工作方式。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆2SCR

41、不能自关断。而逆变器的负载一般是电感、电容、电阻等无源元件，除了特殊场合例如利用负载谐振进行换流，一般在电路中需要另加强迫关断回路才能关断SCR，电路较复杂。因此 SCR 一般不适合用于逆变器中。4.3 图 4.2(a)和 4.3(a)中的二极管起什么作用，在一个周期中二极管和晶体管导电时间由什么因素决定，在什么情况下可以不用二极管D，纯感性负载时，负载电流为什么是三角形。答：图中二极管起续流和箝位作用，在一个周期中二极管和晶体管导电时间由三极管驱动信号和负载电流ai的方向共同决定，在纯阻性负载时可以不用二极管D。纯电感负载时，abavdtdiL，在2/00Tt期间，对于全桥逆变电路有dabV

42、v，对半桥电路2/dabVv，ai线性上升；在002/TtT期间，全桥电路dabVv，半桥有2/dabVv，ai线性下降；故电流ai是三角波。如果dV都是 300V，半桥和全桥电路断态时开关器件两端最高电压都是dV，即 300V。4.4 有哪些方法可以调控逆变器的输出电压。答：有单脉波脉宽调制法、正弦脉宽调制法 （SPWM） 、基波移相控制法等。 单脉波脉宽调制法缺点是谐波含量不能有效控制；SPWM 法既可控制输出电压的大小，又可消除低次谐波；移相控制一般用于大功率逆变器。4.5 图 4.6(d)脉宽为的单脉波矩形波输出电压abv的表达式为 (4-16)式。如果横坐标轴即时间 （相位角）的起点

43、改在正半波脉宽的中点，试证明，那时abv的表达式应为：)cos(2sin4)(,7, 5,3, 1tnnnVtvdn答：由 (4-16)式，)sin(2sin)1(4)(21,7,5, 3, 1tnnnVtvndnab，当横坐标轴即时间（相位角）的起点改在正半波脉宽的中点，相当于原波形在时间上前移了090，因此将（416）中的t用t090代替，即可得到)cos(2sin4)(,7,5, 3, 1tnnnVtvdn。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆4.6 正弦脉宽调制SPWM 的基本原理

44、是什么？载波比N、电压调制系数M 的定义是什么？改变高频载波电压幅值rmV和频率rf为什么能改变逆变器交流输出基波电压1V的大小和基波频率1f？答：正弦脉宽调制SPWM 的基本原理是冲量等效原理：大小、波形不相同的窄变量作用于惯性系统时，只要其冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。如果将正弦波周期分成多个较小的时间段，使PWM 电压波在每一时间段都与该段的正弦电压冲量相等，则不连续的按正弦规律改变宽度的多段波电压就等效于正弦电压。载波比 N 定义为三角载波频率cf和正弦调制波频率rf之比： Ncf/rf；电压调制系数M 是正弦调制波幅值rmV和三角波幅值cmV之比 MrmV/cmV.

45、 dcmrmdmVVVMVV)/(1,1M,改变调制比M，即可成比例的调控输出电压的基波大小。又因为rff1，所以改变调制波频率rf，即可调控输出电压的基波频率1f。4.7 既然 SPWM 控制能使逆变器输出畸变系数很小的正弦波，为什么有时又要将调制参考波rv从正弦波改为图4.11 所示调制波，或改为梯形波，或取（437）式所示的附加3 次谐波分量的调制参考波。答： SPWM 法输出基波电压幅值DmVv1，有效值DDVVV707.02/1，直流电压利用率707. 0/1DVV。而0180方波逆变时，逆变电压基波幅值可达/4DV，直流电压利用率为0.9。因此为了提高SPWM 法的直流电压利用率，

46、可以将调制参考波rv从正弦波改为图4.11所示调制波，或改为梯形波，或附加3 次谐波分量，这样调制参考波rv波形的最大值不超过DV，不会出现过调制的情况，但基波电压幅值可超过DV，这就可以提高直流电压利用率。4.8 请解释图 417 中输入直流电流Di的波形。答： 图 417 是采用空间矢量PWM 控制方法时的相关波形，其中，逆变器输入直流电流Di可精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆表达为：CcBbAaDiSiSiSi。例如当 A、B 相为下桥臂的T4、T6 管导通而 C 相为上桥臂的T

47、5 管导通时，1,0cbaSSS，CDii，若假设负载电流为正弦，且相电流滞后相电压030，则在0t时，2/)30sin(0pmpmCItIi,在060t时，pmCIi。因此在 03/周期中，CDii将在图 417 中所示的2/pmI和pmI之间脉动。同理可以分析出其他5 个开关状态时电流Di的波形，Di为六倍频的脉动电流，脉动周期为3/。4.9 试说明三相电压型逆变器SPWM 输出电压闭环控制的基本原理。答： 引入了逆变器输出电压0V的闭环反馈调节控制系统如图4.15(b)所示，*0V为输出电压的指令值，0V为输出电压的实测反馈值。电压偏差经电压调节器VR 输出调制电压波的幅值rmV。rmV

48、与调制波的频率rf共同产生三相调制波正弦电压)()()(tVtVtVcrbrar、，它们与双极性三角载波电压)(tVc相比较产生驱动信号，控制各个全控型开关器件的通断，从而控制逆变器输出的三相交流电压。当0V*0V时，rmV减小， M 值减小，使输出电压0V减小到*0V。如果电压调节器VR 为 PI 调节器（无静态误差） ，则可使稳态时保持0V*0V。因此当电源电压dV改变或负载改变而引起输出电压偏离给定值时，通过电压闭环控制可时输出电压0V跟踪并保持为给定值*0V。4.10 三相逆变器的8 种开关状态中有6 个开关状态对应6 个空间位置固定、相差060的非零电压空间矢量， 另两个为零矢量。

49、但三相正弦交流电压任意时刻的瞬时值是一个以角速度在空间旋转 的 矢 量 产 生 的 。 6个 开 关 器 件 的 三 相 逆 变 器 只 能 产 生6个 特 定 位 置（000000300,240,180,120,60,0t）的空间矢量。 如何用两个相差060非零的特定空间矢量和精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 22 页学而不思则惘，思而不学则殆零矢量的合成效果去等效任意相位角t时的空间矢量V？当直流电压DV一定时，如何调控输出电压的大小和相位？答：可采用从逆变器的6 个处于空间特定位置的开关状态矢量中，选择两个相邻的矢

50、量与零矢量合成一个等效的旋转空间矢量V。通过调控V的大小和旋转速度， 来调节三相逆变器输出电压的大小和频率，这就是电压空间矢量PWM 方法。将图 4-16(d)中的0360区域划分为 6 个060的扇区，如果要求V的相位角t为任意指令值，则可用矢量V所在的扇区边界的那两个相邻的特定矢量xV、yV来合成矢量V，即可用逆变器的3 个开关状态x、y、0 在一个周期sT中各自存在xT、yT、0T时间来合成等效的任意位置的空间矢量V（存在时间为sT） ，即：)(000TTTVTVTVTVTVyxSyyxx。由该式可求出xT、yT、0T。当直流电压DV一定时， 通过调节零矢量作用时间0T，可调控输出电压大