1、2-1 与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样 压为 0； 2 期间，单相全波电路中 VT 2 导通，单的结构特点才使得其具有耐受高压和大电流的能力？ 相全控桥电路中 VT 2 、VT 3 导通，输出电压等于 u 2 。对于电感负答：1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过 （ ）期间，单相全波电路中 VT 1 导通，单相全 载：电流的有效面积增大，显著提高了二极管的通流能力。 控桥电路中 VT 1 、 4 导通， VT 输出电压均与电源电压 u 2 相等； （2.电力二极管在 P 区和 N 区之间多了一层低掺杂 N 区，也称 2）期间，单相全波电路中 VT 2 导通，单相
2、全控漂移区。低掺杂 N 区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半 桥电路中 VT 2 、VT 3 导通，输出波形等于 u 2 。可见，两者的导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂 N 区就可 输出电压相同，加到同样的负载上时，则输出电流也相同。以承受很高的电压而不被击穿。 23带平衡电抗器的双反星形可控整流电路与三相桥式全控 2-6 GTO 和普通晶闸管同为 PNPN 结构 为什么 GTO 能够自 整流电路相比有何主要异同？三相桥式电路是两组三相半关断 而普通晶闸管不能 结构为什么 能够自关断而普通 波电路串联，而双反星形电路是两组三相半波电路并联，且晶闸管不能 而普通晶闸管不能 后者需要用
3、平衡电抗器； 答 :GTO 和 普 通 晶 闸 管 同 为 PNPN 结 构 由 P1N1P2 和 当变压器二次电压有效值 U 2 相等时，双反星形电路的整流 N1P2N2 构成两个晶体管 V1、V2 分别具有共基极电流增益 电压平均值 U d 是三相桥式电路的 1/2，而整流电流平均值 I d1 和 ，由普通晶闸管的分析可得，1 2 1 是 是三相桥式电路的 2 倍。在两种电路中，晶闸管的导通及器件临界导通的条件。1 21 两个等效晶体管过 触发脉冲的分配关系是一样的，整流电压 u d 和整流电流 i d 的饱和而导通； 1 21 不能维持饱和导通而关断。 GTO 波形形状一样。之所以能够自
4、行关断而普通晶闸管不能是因为 GTO 与普 4-2换流方式各有那几种？各有什么特点？器件换流：利用通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同： 全控器件的自关断能力进行换流。全控型器件采用此换流方 lGTO 在设计时 2 较大这样晶体管 T2 控制灵敏易于 式。电网换流：由电网提供换流电压，只要把负的电网电压 GTO 关断 2GTO 导通时 1 2 的更接近于 l 普通 加在欲换流的器件上即可。负载换流：由负载提供换流电压，晶闸管 1 2 1.5 而 GTO 则为 1 2 1.05 ， 当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时，可实现 GTO 的饱和程 度不深接近于临界饱和这样为门极控制关 负
5、载换流断提供了有利条件 3 多元集成结构使每个 GTO 元阴极面 强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加积很小 门极和阴极间的距离大为缩短使得 P2 极区所谓 反向电压换流称为强迫换流。通常是利用附加电容上的能量的横向电阻很 小 从而使从门极抽出较大的电流成为可能。 实现，也称电容换流。晶闸管电路不能采用器件换流，根据 2-7 与信息电子电路中的 MOSFET 相比电力 MOSFET 具有怎样 电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流 3 种方的结构特点才具有耐受高电压和大电流的能力？ 式。1） 垂直导电结构：发射极和集电极位于基区两侧，基区面 3什么是电压型逆变电路？什么
6、是电流型逆变电路？二者各 积大，很薄，电流容量很大。 有什么特点。答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流 2） N-漂移区：集电区加入轻掺杂 N-漂移区，提高耐压。 侧是电压源的称为逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧是 3） 集电极安装于硅片底部，设计方便，封装密度高，耐压 电流源的逆变电路称为电流型逆变电路电压型逆变电路的主 特性好。 要特点是：直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电 2-8 试分析 IGBT 和电力 MOSFET 在内部结构和开关特性上的 压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。由相似和不同之处 于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，答：IGBT
7、比电力 MOSFET 在背面多一个 P 型层，IGBT 开关速 并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降 载阻抗情况的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小。 供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交 2-11 试列举你所知道的电力电子器件，并从不同的角度对这 流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联些电力电子器件进行分类。目前常用的控型电力电子器件有 了反馈二极管。电流型逆变电路的主要特点是：直流侧串哪些答：1. 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： 联有大电感
8、，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流（1）半控型器件：晶闸管及其派生器件 回路呈现高阻抗。电路中开关器件的作用仅是改变直流电（2）全控型器件：IGBTMOSFET，GTOGTR 流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载（3）不可控器件:电力二极管 阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情 2. 按照驱动信号的波形（电力二极管除外） 况的不同而不同。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功（1）脉冲触发型：晶闸管及其派生器件 率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量（2）电平控制型： （全控型器件）IGBTMOSFET，GTOGTR 时直流电流并不反向，因此不
9、必像电压型逆变电路那样要给 3. 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分 开关器件反并联二极管。为三类：（1） 单极型器件：电力 MOSFET，功率 SIT 肖特 7串联二极管式电流型逆变电路中，二极管的作用是什么？基二极管 （2） 双极型器件：GTRGTO 晶闸管，电力二极管 试分析换流过程。等 （3） 复合型器件：IGBTMCTIGCT 等 答：二极管的主要作用，一是为换流电容器充电提供通道，4.按照驱动电路信号的性质，分为两类： 并使换流电容的电压能够得以保持， 为晶闸管换流做好准备；（1）电流驱动型：晶闸管，GTO，GTR 等 二是使换流电容的电压能够施加到换流过程中刚刚关断
10、的晶（2）电压驱动型：电力 MOSFETIGBT 等 闸管上， 使晶闸管在关断之后能够承受一定时间的反向电压，常用的控型电力电子器件： 门极可关断晶闸管 电力晶闸管， 确保晶闸管可靠关断， 从而确保晶闸管换流成功。 以 VT 1 和 VT 3 电力场效应晶体管，绝缘栅双极晶体管。 之间的换流为例，串联二极管式电流型逆变电路的换流过程 3-2 图 2-9 为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电 可简述如下：给 VT 3 施加触发脉冲，由于换流电容 C 13 电压的作路，问该变压器还有直流磁化问题吗？试说明：晶闸管承 用，使 VT 3 导通，而VT 1 被施以反向电压而关断。直流电流 I d 受
11、的最大反向电压为 2 根号下 2U2；当负载是电阻或电感 从 VT 1 换到 VT 3 上，C 13 通过 VD 1 、U 相负载、W 相负载、VD 2 、VT 2 、时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。 直流电源和 VT 3 放电，如图 5-16b 所示。因放电电流恒为 I d ， 答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变 故称恒流放电阶段。在 C 13 电压 u C13 下降到零之前，VT 1 一直承压器没有直流磁化的问题。因为单相全波可控整流电路变压 受反压，只要反压时间大于晶闸管关断时间 t q ，就能保证可器二次测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反， 靠关
12、断。u C13 降到零之后在 U 相负载电感的作用下，开始对 C 13 波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁 反向充电。如忽略负载中电阻的压降，则在 u C13 0 时刻后，二化的问题。以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和 极管 VD 3 受到正向偏置而导通，开始流过电流，两个二极管同电流波形的情况。以晶闸管 VT 2 为例。当 VT 1 导通时，晶闸管 时导通，进入二极管换流阶段，如图 5-16c 所示。随着 C 13 充 VT 2 通过 VT 1 与 2 个变压器二次绕组并联，所以 VT 2 承受的最大 电电压不断增高，充电电流逐渐减小，到某一时刻充电电流电压为 2
13、根号下 2U2。 当单相全波整流电路与单相全控桥式整 减到零，VD 1 承受反压而关断，二极管换流阶段结束。之后，流电路的触发角 相同时，对于电阻负载： （0）期间无 进入 VT 2 、VT 3 稳定导通阶段，电流路径如图 5-16d 所示。晶闸管导通，输出电压为 0； （）期间，单相全波电路中 6-3 交流调压电路和交流调功电路有什么区别？二者各运用 VT 1 导通，单相全控桥电路中 VT 1 、VT 4 导通，输出电压均与电 于什么样的负载？为什么？源电压 u 2 相等； 期间，均无晶闸管导通，输出电 答：交流调压电路和交流调功电路的电路形式完全相同，二者的区别在于控制方式不同。 交流调压
14、电路是在交流电源的 使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到每个周期对输出电压波形进行控制。而交流调功电路是将负 PWM 波形。各 PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接 的。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功 正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。可见，率。交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯 所得到的 PWM 波形和期望得到的正弦波等效。光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。 5什么是异步调制？什么是同步调制？
15、两者各有何特点？分在供用电系统中，还常用于对无功功率的连续调节。此外， 段同步调制有什么优点？在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流 答：载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调调压电路调节变压器一次电压。 如采用晶闸管相控整流电路， 制。在异步调制方式中，通常保持载波频率 f c 固定不变，因高电压小电流可控直流电源就需要很多晶闸管串联；同样， 而当信号波频率 f r 变化时，载波比 N 是变化的。异步调制的主低电压大电流直流电源需要很多晶闸管并联。这都是十分不 要特点是： 在信号波的半个周期内， PWM 波的脉冲个数不固定，合理的。采用交流调压电路在变压器一次侧调压，
16、其电压电 相位也不固定， 正负半周期的脉冲不对称， 半周期内前后 1/4 流值都不太大也不太小，在变压器二次侧只要用二极管整流 周期的脉冲也不对称。这样，当信号波频率较低时，载波比 N 就可以了。这样的电路体积小、成本低、易于设计制造。交 较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。 周期内前后 1/4 周期脉冲不对称产生的不利影响都较小， PWM 由于控制对象的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周 波形接近正弦波。载波比 N 等于常数，并在变频时使载波和信期进行频繁控制。 号波保持同步的方式称为同步调制。 同步调制的主要特点是：5
17、-4简述示升压斩波电路的基本工作原理。 在同步调制方式中，信号波频率变化时载波比 N 不变，信号波答：假设电路中电感 L 值很大，电容 C 值也很大。当 V 处于通态 一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。时，电源 E 向电感 L 充电，充电电流基本恒定为 I 1 ，同时电容 C 当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率 f c 也很上的电压向负载 R 供电，因 C 值很大，基本保持输出电压为恒 低。f c 过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机值 U o 。设 V 处于通态的时间为 t on ，此阶段电感 L 上积蓄的能量 时也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电
18、路输出频率很为 EI 1 t on 。当 V 处于断态时 E 和 L 共同向电容 C 充电并向负载 R 高时，同步调制时的载波频率 f c 会过高，使开关器件难以承 受。此外，同步调制方式比异步调制方式复杂一些。分段同提供能量。设 V 处于断态的时间为 t off ，则在此期间电感 L 释放 步调制是把逆变电路的输出频率划分为若干段，每个频段的的能量为 U E I t 。当电路工作于稳态时， 一个周期 o 1 off 载波比一定，不同频段采用不同的载波比。其优点主要是，T 中电感 L 积蓄的能量与释放的能量相等式中的 在高频段采用较低的载波比，使载波频率不致过高，可限制 T / t off 1
19、 ，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压 在功率器件允许的范围内。而在低频段采用较高的载波比，斩波电 以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。 零转换 PWM 电 6试分别简述升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路的基本原理， 路：这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振的开始时刻，并比较其异同点。 所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，输入电压和负载答：升降压斩波电路的基本原理：当可控开关 V 处于通态时， 电流对电路的谐振过程的影响很小，电路在很宽的输入电压电源 E 经 V 向电感 L 供电使其贮存能量，此时电流为 i 1 ，方向如 范围内并从零负载到满负载都能工作在软开关状态，无功率图 3
20、-4 中所示。同时，电容 C 维持输出电压基本恒定并向负载 的交换被消减到最小 零开关 PWM 电路：这类电路中引入辅助 R 供电。此后，使 V 关断，电感 L 中贮存的能量向负载释放，电 开关来控制谐振的开始时刻， 使谐振仅发生于开关过程前后，流为i 2 ，方向如图 3-4 所示。可见，负载电压极性为上负下 此电路的电压和电流基本上是方波，开关承受的电压明显降正，与电源电压极性相反。稳态时，一个周期 T 内电感L 两端 低，电路可以采用开关频率固定的 PWM 控制方式。电压 u L 对时间的积分为零，当 V 处于通态期间 u L E；而当 V 软开关电路可以分为哪几类？其典型拓扑分别是什么样
21、子处于断态期间，u L - u o 。于是：改变导通比，输出电压既 的？各有什么特点？答：根据电路中主要的开关元件开通及可以比电源电压高，也可以比电源电压低。因此将该电路称 关断时的电压电流状态，可将软开关电路分为零电压电路和作升降压斩波电路。Cuk 斩波电路的基本原理：当 V 处于通态 零电流电路两大类；根据软开关技术发展的历程可将软开关时，EL 1 V 回路和 RL 2 CV 回路分别流过电流。当 V 处 电路分为准谐振电路， 零开关 PWM 电路和零转换 PWM 电路。准于断态时，EL 1 C VD 回路和 RL 2 VD 回路分别流过电 谐振电路：准谐振电路中电压或电流的波形为正弦波，
22、电路流。输出电压的极性与电源电压极性相反。该电路的等效电 结构比较简单，但谐振电压或谐振电流很大，对器件要求高，路如图 3-5b 所示，相当于开关 S 在 A、B 两点之间交替切换。假 只能采用脉冲频率调制控制方式。零开关 PWM 电路：这类电设电容 C 很大使电容电压 u C 的脉动足够小时。当开关 S 合到 B 点 路中引入辅助开关来控制谐振的开始时刻，使谐振仅发生于时，B 点电压 u B 0，A 点电压 u A - u C ；相反，当 S 合到 A 点时， 开关过程前后，此电路的电压和电流基本上是方波，开关承 u B u C ， u A 0 。 因 此 ， B 点 电 压 u B 的 平
23、 均 值 为 受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的 PWM 控制 方式。零转换 PWM 电路：这类软开关电路还是采用辅助开关 U toff / T U （U C 为电容电压 u C 的平均值） ，又因电 B C 控制谐振的开始时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并感 L 1 的电压平均值为零，所以 E U toff / T U 。另一方面， 联的，输入电压和负载电流对电路的谐振过程的影响很小， B CA 点的电压平均值为 U ton / T U ，且 L 2 的电压平均值 电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满负载都能工作 A C 在软开关状态，无功率的交换被消减到最小。为零，按图
24、3-5b 中输出电压 U o 的极性，有 U ton / T U 。 o C 9-1 电力电子器件的驱动电路对整个电力电子装置有哪些影于是可得出输出电压 U o 与电源电压 E 的关系：两个电路实现的 响？电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路功能是一致的，均可方便的实现升降压斩波。与升降压斩波 之间的接口， 是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性电路相比，Cuk 斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流 能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路可使电力电子器和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、 件工作在比较理想的开关状态可缩短开关时间减少开关损输出进行滤 耗对装置的
25、运行效率、可靠性和安全性都有着重要意义。另7-1试说明 PWM 控制的基本原理。答：PWM 控制就是对脉冲 外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就将的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调 近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。在采样控制 电路的设计更为重要。理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加 9-2 为什么要对电力电子主电路和控制电路进行电气隔离？在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的 其基本方法有哪些？各自的基本原理是什么？面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上
26、因为主回路通常是高电压回路，为了避免因为主回路的故障述原理称为面积等效原理以正弦 PWM 控制为例。把正弦半波 而导致控制回路串入高电压造成人身财产损害，所以必须进分成 N 等份，就可把其看成是 N 个彼此相连的脉冲列所组成 行电气隔离。同时，由于电力电子器件造成了大量的谐波和的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 /N，但幅值不等且脉 电磁辐射，可能会对控制电路造成不小的影响，因此也需要冲顶部不是水平直线而是曲线， 各脉冲幅值按正弦规律变化。 隔离。方法：电磁隔离，光电隔离。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲 9-3 对晶闸管触发电路有哪些基本要求？晶闸管触发电路应代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且 满足下列要求：触发脉冲的宽度应保证晶闸管的可靠导通；触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅 变为 50Hz 恒频恒压的交流电向负载供电广市电恢复正常后度应增大为器件最大触发电流的 3-5 倍，脉冲前沿的陡度也 再重新由市电供电。因为蓄电池只作为市电与油机之间的过需增加， 一般需达到 1-2A/US。 所提供的触发脉冲应不超过晶 渡柴油发电机作为后备.
