华科电力电子第三版习题及解答.doc

1、 1 第 1 章 复习题及思考题解答 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

2、 ， 研究 内容是 电子器件以及利用电子器件来处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

3、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

4、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 3 5 倍、可节电 50%，而且其重量仅为工频电感式镇流器的 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。 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

5、 ； 2 (3) 直流（ D.C） 直流（ D.C）电压变换电路 ， 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 C、 D 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 A、 B 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

6、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 fT 2/12/ 内使 S1、S4 导通， S2、 S3 阻断，则逆变电路输出电压 DCDO Vvv ；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 /222/41 DD VVV ，大小取决于直流 电 源 的 电 压 ； 基 波 角 频 率Tf

7、/22 ，取决于开关的工作频率 。其中含有大量 的 高次谐波经 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2s in222s in2141 DD VVV或 )/sin(221 TTVV onD 。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 PW

8、M 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图 1.2 电 力 变 换 类 型CdV DLd i D3 （ 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 ，正因为这样，所以在直流侧串联了 ddLC 滤波器。 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

9、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 开关型电力变换器有哪两类应用领域？ 说明开关型电力电子补偿控制器能输出指令所要求的任意频率、波形的电压、电流的基本原理。 答：

10、（ 1） 开关型电力变换器按功能可分为两大应用领域： A、 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 。 B、 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。 （ 2）开关型电力电子补偿控制器能输出指令所要求的任意频率、波形的电压、电流的基本原理如下： L dI di

11、 AB ( t )v AB ( t )+-v o ( t )i o ( t )( a ) 主电路T on T off VDV o = DV DM NFEL RGHT on = DT KT off T onT K = T on + T offt K( b ) 输出电压波形4 F HE GL Rt KT onV o * ( t )V DV o ( t K )= DV DtMNT K（ c ） V o ( t K ) 跟踪 V o * ( t ) 波形SC L RS S（ d ） 阻抗补偿电路图 1 . 10 开关型电力电子补偿控制器图 1.10(a)电路中，周期性的控制四个开关管的通、断状态，在一

12、个开关周期 KT 中，可输出图 1.10（ b）所示的 PWM 矩形波电压 ( ) ( )ov t LMNR ，在 on KT DT 期间电压()AB Dv t V ，在 (1 )off K on KT T T D T 期间 ( ) 0ABvt 。在一个周期时期 KT 中， ()ovt的平均值为 /o D o n K DV V T T D V ，即图中矩形波电压 EFHG 。若开关管通、断状态转换的开关频率 1/KKfT 很高，即周期 KT 很小，则实际输出脉宽为 onT ，幅值为 DV 的电压()LMNR 与脉宽为 KT ，幅值为平均值电压 ()DDV EFHG 都是历时很短的脉冲电压。 采

13、样控制理论中的脉冲量等效原理是：两个波形不同的窄脉冲电压 1( ) ( )v t LMNR 、2( )( )v t EFHG ，只要在同一时期 KT 中，其脉冲量积分值 ()vt dt 相等，则它们作用于同一个惯性系统，如 RL 电路时的响应是等效的，因此开关电路在整个开关周期 KT 时期中输出的 ()ovt可等效为幅值为 DDV ，历时 KT 的电压瞬时值 ()EFHG 。如果要求开关电路输出图1.10（ c）中 *()ovt所示波形的指令电压，即在 Ktt 瞬间指令电压为 *()Kovt ，则在以 Kt 点为中心的一个开关周期 KT 中，控制开关管的通、断状态及其导通、关断时间，使占空比(

14、 ) /K on KD t D T T ，使平均电压 *( ) ( ) ( ) / ( )o o K D D o n K KoV t V t D t V V T T V t ，即 KT 周期中的占空比 *( ) ( ) /KDoD t V t V ，以此控制图 1.10（ a）中 1 2 3 4S S S S、 、 、 的通断状态，使 = ( )on KT D t T ， 1 off KT D t T（ ） ，即可使输出电压跟踪任意频率、波形、相位的指令电压值 *()ovt。 采用图 1.10（ a）所示开关型变流器也能向电网输出任意波形 的指令电流 *()oit。为此，原理上只要在控制系统中

15、设置一个电流闭环控制环节，实时检测输出电流 ()oit并与指令值5 *()oit相比较，将差值 *( ) ( )ooi i t i t 经电流调节器输出一个控制电压 cV ，调控占空比 D ，当 *( ) ( )ooi t i t 时，控制电压 cV 增大，使 D 增大，导致 ()oVt加大， ()oit加大，使 ()oit跟踪*()oit，达到 *( ) ( )ooi t i t 。反之，当 *( ) ( )ooi t i t 时，控制电压 cV 减小，使占空比 D 减小， ()oVt减小， ()oit减小， ()oit跟踪指令值 *()oit，达到 *( ) ( )ooi t i t 。因

16、此，只要根据指令电流 *()oit的正、负数值，实时、适式地调控各开关管的通、断状态及相应的占空比 D 值，就可使开关电路输出指令所要求的任意频率、波形、相位的电流 ()oit。 6 第 2 章 复习题及思考题解答 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。 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

17、空穴向 N 区扩散， N 区带负电的电子向 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 进一步 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

18、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

19、，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。 2.2 说明二极管的反向恢复特性。 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7 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 DV 1 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

20、电压 DV 降为零。 这 时 二极管才恢复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 。 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 /CSBS II ）。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

21、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 的等效电阻近似为无限大而处于断态。 2.4 电力晶体 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？ 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

22、基极开路时集 -射极击穿电压值。 其大小关系为： C EOC ERC ESC EX BVBVBVBV 。 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？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？ 8 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)(1 21 0 II A很大，保持通态。 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

23、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 SV 220V，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 L

24、I 比维持电流 HI 大？ 答： (1) 设 晶 闸 管 开通 ：sVtRidttdiL )()(，由此可解出：当 ust 300 时，mAImAti L 558.65)( ，所以可以使晶闸管可靠导通。 (2) 加入 1K电阻后，有 mAImARR ViHs 227.2 1 5 ，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)(1 210 II A。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

25、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9 图 2 . 1 7 P - M O S F E T 基 本 结 构 符 号 外 接 电 路 及 特 性 曲 线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？ 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，晶闸管在电阻性负载的单相、工频正

26、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 1.57 RI 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 。 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 1

27、Ci 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 P MOSFET 栅极电压 GSV 控制漏极电流 DI 的基本原理 。 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

28、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 GSV 0 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 G 极，或者说栅极 G 的正电位吸引 P10 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

29、，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。 2.10 作为开关使用时 P M

30、OSFET器件主要的优缺点是什么？ 答：作为开关使用时， P MOSFET 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 列表比较 BJT、 SCR、 GTO、 P MOSFET、 IGBT、 MCT 六 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。 答： 表 BJT SCR GTO P MOSFET IGBT MCT 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 （电流型正脉冲门极电流控制开通； 负脉冲门极电流（较大）控制低 双极 通态压降小，通态损耗小 驱动功率大，频率低