2007年考研试题及答案A

一、填空题（30分）：

1. （6分）由晶闸管构成的三相半波可控整流电路，当输入交流电压为u2?311sin?t，纯阻性负载且其值为R?10?，当控制角??45时，输出平均电压为 ，输出的功率因数是 。

2．（6分）由晶闸管构成的单相桥式全控整流电路，当输入交流电压为u2?141sin?t，负载为反电动势且直流侧串联平波电抗器，已知E?60V, L=?，R?2?，当控制角??30??时，输出平均电压为 ，输出平均电流为 。 3．（3分）缓冲电路( Snubber Circuit ) 的作用是 。 4．（3分）在交流供电系统中，当基波电流为I1?40A，各次谐波电流分别为

I3?2A, I5?1A, I7?0.5A, I9?0.2A , 则电流谐波总畸变THD为 。

5．（3分）在逆变电路中，对于同一桥臂的开关管要采取“先断后通”的方法，也就是死区

时间的设定，其目的是 。 6．（6分）单相桥式电压型逆变电路，180导通角，Ud?560V，则输出电压的基波有效值是 ，当只考虑10次以内的谐波电压时，输出电压的有效值是 。 7．（3分）在SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation）控制的三相逆变电路中，设定的开关管的开关频率是20KHz，逆变电路输出交流电压的频率为400Hz，那么SPWM控制电路中载波频率和调制波频率应分别设置为 和 。 二、简答题（60分）：

1． （7分）IGBT在过流及短路过程中，系统如何检测并实施保护的？

2． （7分）为什么晶闸管的触发信号通常不使用直流信号？ 3． （7分）试说明有关晶闸管和电力晶体管的关断过程？

4． （7分）请叙述电力二极管的反向恢复过程，在高频开关电路中，应选择什么型号

的二极管？

5． （8分）利用晶闸管SCR构成的简易照明延时开关电路如图1所示，HL是灯泡，

SB是开关，试分析此电路的工作原理。

图1

VD5ESBCVTR1?HLVD1~VD4+R26． （8分） 图2所示，U为正弦交流电u的有效

值，VD为二极管，在忽略VD的正向压降及反向电流的情况下，求交流电压表V和直流电流表A的读数。

7． （8分） 请分别画出单相半波可控整流电路和

单相全波可控整流电路的原理图，并加以比较。

u

R1

R2

图2

8． （8分）电力半导体器件的功率损耗包括哪几部分，其中哪些与器件的开关频率有

关，有什么关系？

三、综合题（60分）： 1．（16分）已知BUCK变换电路将48V直流电压变换成12V，且电路负载电阻

R?10?,L?5mH,开关频率fs?40kHz,请，并求：

(1) （4分）画出输出电压和电流的波形；

(2) （4分）确定此电路的工作模式是CCM还是DCM； (3) （4分）求输出电流的纹波是多少；

(4) （4分）若要求输出电压纹波小于1％，试求滤波电容。

2．（12分）已知IGBT的开通和关断电压、电流波形如图3所示，假设管子的开关频率为40KHz，试求IGBT的平均损耗功率是多少。

250VvCE100Aic150V100A30A2.0us6.0us4.0us5.0ust

图3 题 2图

3．（12分）三相全控桥变换流器，反电动势阻感性负载，已知R?1?,L??,U2?220V，当EM??400V,?=60时，求Ud与Id的值，此时送回电网的有功功率是多少？

?4．（20分）某电阻在要求0~24V直流电压，最大负载电流Id?30A，如果用220V交流直接供电与用变压器降到60V供电，都采用单相半波可控整流电路，是否都能满足要求？试比较两种供电方案的晶闸管的导通角、额定电流、电压值、变压器二次侧的功率因数。

答案： 一．填空：

1．187V，3.5KW； 2．78V，9A

3．作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，以减小器件的开关损耗。

4．THD=5.75％

5．为了防止同一桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路。 6．504V，548V

7．载波频率和调制波频率分别为20KHz 400Hz 二、简答题

1．答： IGBT的过流保护一般是指过载保护，由于不必快速响应，可以采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过额定值后比较器翻转，封锁装置中所有IGBT驱动信号，使变换电路的输出电流为零。一旦保护动作后，需通过复位才能恢复正常工作。

IGBT能承受很短时间的短路电流，需要实时检测。一般采用检测IGBT集电极与发射极电压的方法来判断IGBT的通态饱和压降与集电极电流呈近似线性变化的关系，来判断短路故障状态。

2．答：因为晶闸管是半控型开关器件，当晶闸管被触发导通后，只要当阳极电流高于其擎住电流，门极触发信号就失去控制作用，这时就可撤掉触发信号。因此晶闸管的触发信号通常是脉冲信号，而不是直流信号。

3． 答：原处于导通状态的晶闸管当外加电压由正向变为反向时，晶闸管进入关断过程，包括反向阻断恢复和正向阻断恢复两个过程，前者要求晶闸管一直承受反向电压，直到电流降为零，晶闸管关断。在反向恢复过程结束后，由于载流子复合过程较慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需一段时间，这就是正向阻断恢复过程，在此过程中，如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不受门极电流控制而导通，这是应该避免的。

电力晶体管是全控型器件，当撤掉基极驱动信号，原先导通的晶体管就会关断，包括存储时间和关断时间两部分，一般会给基极施加反向电流，以抽出基极层积累的载流子，以便缩短存储时间。

4．答：当电力二极管的外加电压由正向变为反向，正向电流在此反向电压的作用下开始下降至零后，由于二极管在PN结两侧储存了大量少子因而并没有恢复反向阻断能力，这些少子在外加反向电压的作用下被抽取出电力二极管，因而形成交大的反向电流，并伴随有明显的反向过冲电压，当反向电流的变化率接近于零后，电力二极管两端承受的电压降至外加电压的大小，电力二极管完全恢复对反向电压的阻断能力。这就是二极管的反向恢复过程。

在高频开关电路中，要求二极管工作在高频状态下，要求其反向恢复时间越短越好，应选取快恢复二极管。

5． 答：该电路可使房间内关灯后延时熄灭，避免人们抹黑走路及上锁的不方便。工作原理如下：

开关SB关断后，交流电压经VD1~VD4整流，在晶闸管VT两端出现单相全波脉动电压。此时，电容C经电阻R1、VD5和VT的门极充电，晶闸管导通，从而使灯泡HL仍与电源构成通路，电灯仍亮，随着电容的充电，晶闸管门极电流逐渐减小，经过延时后，晶闸管失去门极电流，在工作电流过零时截止，电灯熄灭。 6．解：当u?0，VD正向导通，R2被短路，R1上电

流波形如图所示，则流过R1电流为i1和R2上电流i2i1分别为：

i1??2U/R1sin?t ?t?(0，?)?i2?0 ?t?(0，?)

0?2?3??tu?0，VD截止，R1和R2构成串联电路,

i1?i2?2Usin?t ?t?(?，2?)

R1?R2因为直流电流表测的是电流的平均值，所以电流表A的指示为i2平均值I2d，

I2d?12???2?2U2U sin?td(?t)?R1?R2?R1?R2??设i1的有效值为I1，则：

22????2??1??2U2U???I1?sin?t??d(?t)?????R?Rsin?t??d(?t)? 2???0?R2??1???1? ?11?U?222R12?R1?R2?2?R1?R2??2R1222R1?R1?R2?2U

设电压表V指示有效值为UR1，则：

UR1=I1R1 ?2?R1?R2??2R122?R1?R2?U

7． 答：前者电路简单，但输出电压脉动大，变压器二次侧电流中含有直流分量，造成变压

器铁芯直流磁化。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，从而增加了设备容量。实际上很少使用此中电路。单相双半波可控整流电路输出电压脉动相对减小，变压器二次侧电流中不含有直流分量，因此不会造成变压器铁芯直流磁化，但是电路中变压器对了一套绕组，它适用于低输出电压的应用场合。 8． 答：电力半导体器件的功率损耗分为固定损耗和开关损耗，其中固定损耗包括导通损耗和关断损耗，开关损耗包括导通时损耗和关断时损耗。与开关频率有关的损耗是开关损耗。

三、综合题：

1．CCM工作状态、?IL?0.045A; C=3.18?F 2. P = 4KW

3. 290V, 109A, 31.61KW 4．

由采用220V电源直接供电，当??0时, Ud0?0.45U2?99V 采用60V电源供电，当??0时, Ud0?0.45U2?27V 所以只要适当调节α角，均能满足输出电压Ud在0~24V要求。 下面分析两种方案的利弊： Ud（1） 采用220V交流电源直接供电，UmUd?0.45U21?cos? 2(a)其中U2?220V,Ud?24V

则??121? ??180??121??59?

因为晶闸管所承受最大反向电压为电源电压峰值，所以晶(b)IdIm121?180?闸管的额定电压为2U2?311V 图2.3晶闸管额定电流（通态平均电流）ITav?2121?180?Ik 1.57?U2U21???d?t R?d?0.8 而Ik?sin?t?Id2?????R??2U2则Ik?R ITav?12?2??sin?td?t?84A ???84?54A 1.572考虑安全裕量取2，则晶闸管额定电流?108A，额定电压?622V 电源所供给的有功功率P?I2R，

.8W 由于I2?Ik?84A， 所以P?84?0.8?5644电源的视在功率S?U2I2?220?84?18.48KVA 电源侧功率因数cos??2P?0.305 SUdId?6UdId（2） 如果采用变压器降压到60V供电， U2?60V

??t1?cos? 2? 得??39? ??180??39??141由Ud?0.45U2

Ik? ITav?2U2R2??sin?td?t?51.38A ???2?Ik1.57?32.7A

紧闸管承受最大电压为2U2?2?60?84.4V

取安全裕量为2，则晶闸管额定电流为65.4A，额定电压为168.8V，变压器二次侧容量

S2?U2I2

而I2?Ik?51.38A

所以S2?60?51.38?3.08KVA

2变压器二次侧所提供有功功率P?I2R?51.382?0.8?2112W，则变压器二次侧功率因

数cos??P?0.68 S结论：增加了整流变压器后，使控制角减小，选择的晶闸管的额定电压、额定电流都减小，要求电源容量减小，功率因数提高了。由此可以看出，应当尽量使晶闸管电路工作在小控制角状态。

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