1、 1第 1 章 复习题及思考题解答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是发电、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，其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
2、信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收等问题。其研究对象是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，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。研究对象是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的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。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
3、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，则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，每年全国至少可以节省几千万吨的煤，或者可以少兴建千万千瓦以上的发电站。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、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
4、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。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 1.2 所示：(1) 交流（AC）/直流（DC）整流电路或整流器；(2) 直流（DC）/交流（AC）逆变电路或逆变器；2(3) 直流（DC）/直流（DC）电压变换电路，又叫直流斩波电路、直流斩波器； (4) 交流（AC）/交流（AC）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。4. 图 1.
5、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 时，在半周期 内使f fT2/1S1、S 4导通，S 2、S 3阻断，则逆变电路输出电压 ；令随后的 时OCDvV/T间内 S2、S 3导通，S 1、S 4阻断，则逆变电路输出电压为负的电源电压（ ） 。因D此 是频率
6、为 、幅值为 的交流方波OvfV电压，如图 1.6(b)所示。对 进行傅里叶Ov分解，得到其基波电压有效值为，大小取决于1DD4/2/VV直流电源的电压；基波角频率，取决于开关的工作频/fT率。其中含有大量的高次谐波经 滤去后，负载可获得正弦交流基波电压 。LC1vB、 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 内让相onT应的开关导通，则 将是导电时间小于 ，导电宽度角 小于 的矩形波，如图OCD()v/T图 1 . 2 电力变换类型CdVDLdiD31.6(c)所示进行傅里叶分解，得到基波电压有效值为 D1 D42sinsinVV或 。显然，控制导通时间可以控
7、制输出电压基波大小，而输1Don2si(/)VT出电压的频率 仍取决于开关工作频率。fC、 若采用高频开关 PWM 控制策略，则交流输出电压 为图 1.6(d)所示的脉冲宽度调制Ov（PWM）的交流电压，输出电压波形 更接近正弦波且其中谐波电压的频率较高，只需要Ov很小的 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。L（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 滤波器。dLC5. 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
8、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 滤LC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）和傅里叶级数。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：（1）开关型电力变换器按功能可分为两大应用领域：A
9、、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。这类应用将推进电力系统的革命及电力电子技术的发展。（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4原理如下：图 1.10(a)电路中，周期性的控制 4 个开关管的通、断状态，在一个开关周期 中，KT可输出图 1.10（b
10、）所示的 PWM 矩形波电压 ，在 期间电压O() )vtLMNRonTD，在 期间 。在一个周期时期 中，ABD()vtVofKonK(1TDTAB0K的平均值为 ，即图中矩形波电压 。若开关管通、断OOD/V EFHG状态转换的开关频率 很高，即周期 很小，则实际输出脉宽为 ，幅值为Kf KonT的电压 与脉宽为 ，幅值为平均值电压 都是历时很短的脉冲电DV()LMNRTD()压。 LdId iAB(t)vB(t)+-vo(t)io(t)(a) 主 电 路 TonTofVDo=DMNFELRGHon=TKofTonTK=on+Toft(b) 输 出 电 压 波 形FHEGLRtKTonVo
11、*(t)VDo(t)=DtMNT （ c） Vo(tK)跟 踪 o*(t)波 形 SCLRS （ d） 阻 抗 补 偿 电 路图1.10 开关型电力电子补偿控制器采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() )vtLMNR，只要在同一时期 中，其脉冲量积分值 相等，则它们作用于同一2()vtEFHGKT()dvt个惯性系统，如 电路时的响应是等效的，因此开关电路在整个开关周期 时期中输出RL KT的 可等效为幅值为 ，历时 的电压瞬时值 。如果要求开关电路输出O()vtDVK()EFHG5图 1.10（c）中 所示波形的指令电压，即在 瞬间指令电压为 ，则在以*O()v
12、t Kt*OK()vt点为中心的一个开关周期 中，控制开关管的通、断状态及其导通、关断时间，使占Kt KT空比 ，平均电压 ，Kon()/D *OKDonKO()()/()VtttVTVt即 周期中的占空比 ，以此控制图 1.10（a）中 的通T*KD()/tt1234S、 、 、断状态，使 ， ，即可使输出电压跟踪任意频率、波形、相on=Tof1tT（ ）位的指令电压值 。*O()vt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 。为此，*O()it原理上只要在控制系统中设置一个电流闭环控制环节，实时检测输出电流 并与指令值相比较，将差值 经电流调节器输出一个控制电
13、压 ，调控占空比*O()it *O()itiCV，当 时，控制电压 增大，使 增大，导致 加大， 加大，使D*O()itCVDO()tO()it跟踪 ，达到 。反之，当 时，控制电压 减小，使占空O()it *O()it*O()itC比 减小， 减小， 减小， 跟踪指令值 ，达到 。因此，O()Vt it*O()it只要根据指令电流 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*i占空比 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 。D O()it6第 2 章 复习题及思考题解答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
14、管在正向电压接法下（简称正偏） ，外加电压所产生的外电场 与内电场 方向相反，因此 PN 结的内电场被削弱。内电场 所引起的多数载流子的eEi iE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
15、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 与原内电场 方向相同。因此外电场使原内电场进一步增强。eEi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。因此反偏时二极管电流极小。在一定的温度下，二极管反向电流 在一RI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 。因此半导体 PN 结SI呈现出单向导电性。其静态伏-安特性曲线如图 2.3 曲线所示。但实际二极管静态伏-安特性为图 2.3 的曲线。二极管正向
16、导电时必须外加电压超过一定的门坎电压 （又称死thV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 后内th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 不超RV过某一临界击穿电压值 时才会使反向电流 保持为反向饱和电流 。实际二极管的RBVRISI反向饱和电流 是很小的，但是当外加反向电压 超过 后二极管被电击穿，反向电SI VBR流迅速增加。2. 说明二极管的反向恢复特性。7答：由于 PN 结间存在结电容 ，二极管从导通状态（ 值很大存储电荷
17、多）转到截CC止阻断状态时，PN 结电容存储的电荷 并不能立即消失，二极管电压仍为 12V，二QDV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 降为零。这时二极管才恢复反向阻断电压的能力而处于DV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 。因此，二极管正向导SI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 后rt才能恢复其阻断反向电压的能力。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 大于基极饱和电流BI（已
18、知三极管的电流放大系数 ，有 ） 。这时三极管 、导电性很强BSI BSC/IT0r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 为零或是施加负基极电流，即 。这时 BJT 的等效电阻近似为无限BI BI大而处于断态。4. 电力晶体管 BJT 的四个电压值 、 、 和 的定义是什么？其大CEXBVSCERBVO小关系如何？答： 、 、 和 分别为不同基极状态下的三极管集-射极击穿CEXBVSCERO电压值； 为基极反偏时，三极管集-射极击穿电压值； 为基极短接、基极电CESBV压为 0 时，三极管集-射极电压击穿值； 为基极接有电阻短路时的集-
19、射极击穿电压CERBV值； 为基极开路时集-射极击穿电压值。CEOBV其大小关系为： 。CEXSCERO5. 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8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？答：基本工作原理见课本36-37；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 不断增大，最后 ， 很大，晶闸管变成通态；撤1212AI去门极电流后由于 ，仍可使 很大，保持通态。0A12()I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 都可能使晶闸管导通，但这是非正常
20、导通情况。dvt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 ，通常采用使其阳极 AHI与阴极 K 之间的电压 为零或反向。AKV6. 直流电源电压 220V，经晶闸管 T 对负载供电。负载电阻 20，电感 =1H，晶S RL闸管擎住电流 =55mA，维持电流 =22mA，用一个方波脉冲电流触发晶闸管。试计算：LIHI 如果负载电阻 20，触发脉冲的宽度为 300s，可否使晶闸管可靠地开通？R 如果晶闸管已处于通态，在电路中增加一个 的电阻能否使晶闸管从通态转入断态？1k 为什么晶闸管的擎住电流 比维持电流 大？LIHI答：(1) 设晶闸管开通： ，由此可解出：当 时，sd()it
21、RV30ust，所以可以使晶闸管可靠导通。()65.8mA5LitI(2) 加入 电阻后，有 ，不能使晶闸管由通态转1ks H215.7mA2Vi I入断态。(3) 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。但维持电流是在通态时考虑的，此时晶闸管已工作在较大电流状态下，0A12()I管内结温较高，此时的 PN 结漏电流 随结温增大、导通能力强，因此必须要降低 才能OI AI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，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
22、线晶闸管工作时间短、结温低，PN 结漏电流 不大，导通能力弱，需要较大的阳极电流才OI能使其导通。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 是这样定义的：在环境温度为 40 和规定的散热冷却条件下，晶闸RI管在电阻性负载的单相、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 1.57 的电流，其发热温RI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
23、过15.7A 的直流负载电流，其发热温升正好是允许值。8. 说明 GTO 的关断原理。答：在 GTO 的设计制造时，等效晶体管 的集电极电流分配系数 较大。当 GTO 处2T2于通态时，突加一个负触发电流 ，使 减小， 1- 变大， 急剧减小，就是阳极gI2CI电流 急剧减小，又导致电流分配系数 和 减小，使 急剧减小，又使 、 减小。AI 211iIA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。9. 说明 P-MOSFET 栅极电压 控制漏极电流 的基本原GSVDI理。答：当右图中 P-MOSFET 漏-源极间电压 为零、栅-DS源极之
24、间电压 也为零时，N 型半导体与 P 型半导体之间GSV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 时，如果栅极、源极外加电压 =0，由于漏极 D( )与源极 S( )之间是两个背DS GV1N2靠背的 PN 结( 、 )，无论 是正向电压还是负向电压，都有一个 PN 结反偏，故1PN2DS10漏-源极之间也不可能导电。当栅、源极之间外加正向电压 0 时， 在 G-P 之间形GSVGS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 P 区的电子至邻近栅极的一侧，当 增大到超过
25、某一值 值时， 和 中间地区靠近 G 极处被GSVSth1N2G 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） ，这个沟道将和 两个 N 区联在一起，又使 这个被反偏的 PN 结 消失，成为漏极 D 和源极 S12 1P1J之间的导电沟道，一旦漏-源之间也有正向电压 ，就会形成漏极电流 。在 =0 时，DSVIGV不能产生电流， =0，仅在 增大到 = 以后，才使 G-P 之间的外电场增强，DSVDIGSG
26、th形成自由电子导电沟道，才能产生漏极电流 ，这种改变栅极 G 和源极 S 之间外加电压DI，即可控制漏极电流 的作用称为电导调制效应。GSDI10. 作为开关使用时 P-MOSFET 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。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：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 正脉冲门极电流控制开通； 低 双极 通态压降小， 驱动功率大，
