电力电子技术答案归纳 第五版

第二章电力电子器件 ..................................................................................... 1 第三章整流电路 ............................................................................................ 5 第四章 逆变电路 ......................................................................................... 19 第七章 PWM控制技术 ............................................................................... 21 第九章电力电子器件应用的共性问题 ........................................................... 25

第二章电力电子器件

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的结构特点才使得它具有耐受高电压和大电流的能力？

答：电力二极管大都是垂直导电结构，使硅片中通过电流的有效面积增大，可显著提高通流能力；在P和N区之间多了一层低掺杂N区即漂移区，可承受高电压不致击穿；虽然漂移区具有高电阻率不利于正向导通，但可通过电导调制效应来解决。

2-2使晶闸管导通的条件是什么？

答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。

或：uAK>0且uGK>0。另外在其它条件下，比如阳极电压过高产生雪崩效应，阳极电压上升率过高，结温较高，光直接照射硅片，也可能使晶闸管导通。

2-3维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。

要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。

2-4图2-27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。

图2-27 晶闸管导电波形

解： a)

Id1?1Tb?af(t)dt

1

Id11?2???Imsin?td(?t)?4?ImIm2??cos?t??(1?)?0.2717Im ??42?2?2I1??12?2Im2?2(Isin?t)d(?t)??m4??1?cos2?t??d(?t)???4?2???2ImIm1???1(?????sin2?t??)?42?2?4?4231??0.4767Im42? b)

Id2?1???Imsin?td(?t)?4?Im???cos?t???4?Im?(1?2)?0.5434Im?2Id1 2I2?2I1?1.732?0.4767Im?0.6741Im

c)

Id31?2???20?1Imd(?t)?Im

421I3?2?

?02Imd(?t)?1Im 22-5上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶闸管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多少？这时，相应的电流最大值Im1、Im2、Im3各为多少? 解：额定电流I T(AV) =100A的晶闸管，由上题计算结果知

IF?1.57IF(AV)?157A

I?329.35A Id10.2717Im189.48A

0.4767Ib) Im2??232.90A, Id20.5434Im2126.56A

0.67411c) Im3=2 I = 314A, Id3= Im3=78.5A

4a) Im1?三相桥式电路，R??0.8?,L??,U2l?230V,，工作于逆变状态，

ED??290V,??，设电流连续，计算：

6（1）输出电流平均值； （2）输出电流有效值； （3）晶闸管电流有效值； （4）交流电源端功率因数。

2

?

解：Ud??1.35U2lcos???1.35?230?cos?6??269V

Id?Ud?ED290?269??26.3AR?0.8

?I??,?不考虑IRI?Id?26.3A I26.3IT???15.4A33

Pd?R?I2?EdId?0.8?26.62???290??26.3??7.07?103VA

S?2U2lI?2?230?26.3?8.55?103VAcos???7.078.55??0.827

2-6 GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不能？

答：GTO内部有数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，且阴极和门极在器件内部并联在一起，这种多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间距离大为缩短，使得P2基区的横向电阻很小，使从门极抽出较大的电流成为可能；从等效电路原理上讲，设计时?2较大，V2控制灵敏，使得GTO易于关断；

?1??2?1.05接近于临界饱和，没有晶闸管饱和程度深，有利于门极控制关断。

多元集成结构还使得比普通晶闸管开能快，承受电流变化率能力更强。

2-7与信息电子电路中的MOSFET相比，电力MOSFET具有怎样的结构特点才具有耐受高电压和大电流的能力？

答：MOSFET驱动电路简单、驱动功率小；开关速度快、工作频率高；但容量低、耐压低，10KW以下。采用垂直导电结构和多元集成结构，还有一个漂移区来承受高电压，但无电导调制效应，因而通态电阻大，通态压降高，通态损耗大。

2-8试分析IGBT和电力MOSFET在内部结构和开关特性上的相似与不同之处？ IGBT比VDMOSFET多一层p+注入区，形成面积很大的P+N结，可实现对漂移区电导率进行调制，具有很强的通流能力；而后者总存在高耐压和低通态电阻的矛盾。其开通和关断过程与MOSFET相似。同时，电导调制效应也带来了少子储存现象，因而IGBT开关速度要低于MOSFET。二者的开关过程都受到主回路结构、控制方式、缓冲电路及主电路寄生参数等条件的影响，必须在实际电路设计时加以考虑。

3

2-9 宽禁带半导体材料做成的电力电子器件有哪些方面的优越性？

答：宽禁带是指3电子伏特以上的半导体材料如碳化硅、氮化镓、金刚石等材料。比硅有高得多的临界雪崩击穿电场强度和载流子饱和漂移速度、较高的热导率和相差不大的载流子迁移率。因而耐压高、通态电阻低、导热好热稳定性好，在耐高温和射线辐射方面的性能成数量级的提高。这些器件可能成为将来的发展方向。

2-10电力电子集成技术可带来哪些益处？功率集成电路与集成电力电子模块实现集成的思路有何不同？

答：模块化是电力电子器件研制和开发的一个趋势。功率模块是按拓扑结构将主回路的电力电子器件集成在一个模块中，可降低成本、缩小体积和提高可靠性，对于工作频率较高的电路还可大大减小线路电感，从而减少对保护和缓冲电路的要求。如IGBT模块、晶闸管模块。

功率集成电路比功率模块集成度更高。它是将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上。有几种名称：强调器件和电路集成电路在一个芯片上称为单片集成。而高压集成电路是将横向高压器件和控制电路的单片集成。智能功率集成电路指纵向功率器件与控制电路的单片集成。难点在于高低压电路之间的绝缘及温升和散热的有效处理。主要用于小功率的场合。所谓封装集成是将不同模块和电路通过专门设计的引线或导体连接起来，它避开了上述技术难题。功率集成电路与集成电力电子模块实现集成的思路的不同：前者是将所有的东西都集成于一个芯片当中（芯片集成），而后者则是将一系列的器件集成为一个模块来使用（封装集成）。

2-11试列举你所知道的电力电子器件，并从不同角度对这些电力电子器件进行分类，目前常用的全控型电力电子器件有哪些？

答: 电力二极管及其派生器件；晶闸管及其派生器件；GTO/GTR/电力MOSFET/IGBT等

①. 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：不可控器件：电力二极管及其派生器件半控型器件：晶闸管及其派生器件全控型器件：GTO/GTR/电力MOSFET/IGBT等

②按照驱动电路信号的性质，分为两类：电流驱动型: 晶闸管及其派生器件/GTO/GTR等电压驱动型：电力MOSFET/IGBT等

③按照驱动信号的波形（电力二极管除外）脉冲触发型：晶闸管及其派生器件电平控制型：GTO/GTR/电力MOSFET/IGBT等

4

负载电压的平均值为

1??3Ud=

??1?cos()3?67.59(V)2U2sin?td(?t)?0.9U22?

负载电流的平均值为

Id=Ud/R=67.52/2=33.75(A) 流过晶闸管VTl、VT2的电流有效值为

1Id? IVT=319.49(A) 流过二极管VD3、VD4的电流有效值为

2Id IVD=3=27.56(A)

3-7在三相半波整流电路中，如果a相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压Ud的波形。

解：假设?=0?，当负载为电阻时，Ud的波形如下：

10

当负载为电感时，Ud的波形如下：

3-8三相半波整流电路，可以将整流变压器的二次绕组分为两段成为曲折接法，每段的电动势相同，其分段布置及其矢量如图所示，此时线圈的绕组增加了一些，铜的用料约增加10%，问变压器铁心是否被直流磁化，为什么?

变压器二次绕组的曲折接法及其矢量图

答：变压器铁心不会被直流磁化。原因如下：

变压器二次绕组在一个周期内，当a1c2对应的晶闸管导通时，al的电流向下流，c3的电流向上流；当clb2对应的晶闸管导通时，cl的电流向下流，b2的电流向上流；当bla2对应的晶闸管导通时，bl的电流向下流，a2的电流向上流；就变压器

11

的一次绕组而言，每一周期中有两段时间(各为120°)有电流流过，流过的电流大小相等而方向相反，故一周期内流过的电流平均值为零，所以变压器铁心不会被直流磁化。

3-9三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相的自然换相点是同一点吗？如果不是，它们在相位上差多少度？

答：三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法，a、b两相之间换相的的自然换相点不是同一点。它们在相位上相差180°。

3-10有两组三相半波可控整流电路，一组是共阴极接法，一组是共阳极接法，如果它们的触发角都是α，那么共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲对同一相来说，例如都是a相，在相位上差多少度？ 答：相差180°。

3-11三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当α＝60°时，要求： ①画出Ud、Id和IVT1的波形； ②计算Ud、Id、IdT和IVT。 解：①Ud、Id和IVT1的波形如下图：

②Ud、Id、IdT和IVT分别如下

12

Ud=1.17U2cosα=1.17×100×cos60°=58.5V Id＝Ud/R=58.5/5=11.7A IdVT=Id/3=11.7/3=3.9A IVT=Id/

3-12在三相桥式全控整流电路中，电阻负载，如果有一个晶闸管不能导通，此时的整流电压Ud波形如何？如果有一个晶闸管被击穿而短路，其他晶闸管受什么影响？

答：假设VTl不能导通，整流电压波形如下：

3=6.755A

假设VT1被击穿而短路，则当晶闸管VT3或VT5导通时，将发生电源相间短路，使得VT3、VT5也可能分别被击穿。

3-13三相桥式全控整流电路，U2＝100V，带电阻电感负载，R=5Ω ,L值极大，当α＝60°时，要求：①画出Ud、Id和iVT的波形；②计算Ud、Id、IdVT和IVT。

Ud=2.34U2cosα=2.34×100×cos60°=117V

13

Id=Ud/R=117/5=23.4A

IdVT =Id/3=23.4/3=7.8A

IVT=Id/3=23.4/3=13.51A

3-14单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，当α=60°时，求Ud、Id与γ的数值，并画出整流电压Ud的波形。 解：考虑LB时，有

Ud=0.9U2cosα-Δud Δud=2XBId/π Id＝(Ud-E)/R 由方程组得

Ud?(?R?0.9U2cos??2XBE)/(?R?2XB)?44.55(V) ?Ud?0.455(V) Id=4.55（A）

cos??cos(???)?2IdXB/U2cos(60???)?0.4798又∵

?????61.33?60?1.33换相重叠角

整流电压Ud的波形

3-15三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，U2=100V，R=1Ω，LB=lmH，

求当α=30°时、E=50V时Ud、Id、γ的值并作出Ud与IVT1和IVT2的波形。 解：考虑LB时，有：

Ud=1.17U2cosα-ΔudΔUd=3XBId/2?Id＝(Ud-E)/R 解方程组得：

14

Ud＝(?R?1.17U2cos??3XBE)/(2?R?3XB)?94.63(V) △Ud=6.7(V)

Id=44.63(A) 又因为：

cos??cos(???)?2IdXB/6U2即得出

cos(30°＋γ)=0.752 换相重叠角

γ=41.28??30??11.28? Ud与IVTl和IVT2的波形如下:

3-16三相桥式不可控整流电路，阻感负载，R=5Ω，L=∞，U2=220V，XB=0.3Ω，求Ud、Id、IVD、I2和γ的值并作出ud、iVD和i2的波形。

解：三相桥式不可控整流电路相当于三相桥式可控整流电路α＝0°时的情况。

Ud＝2.34U2cosα－ΔUd ΔUd＝3XBId∕π Id＝Ud∕R

解方程组得：

Ud＝2.34U2cosα∕（1＋3XB/πR）＝486.9（V）

Id＝97.38（A）

15

又∵cosa－cos(a +γ)＝2 IdXB∕根号6U2 即得出

cosγ=0.892

换流重叠角

γ＝26.93°

二极管电流和变压器二次测电流的有效值分别为

IVD＝Id∕3＝97.38∕3＝32.46（A）

3-17三相全控桥，反电动势阻感负载，E=200V，R=1Ω，L=∞，U2=220V，a=60°， 当①LB=0和②LB=1mH 情况下分别求Ud、Id的值，后者还应求g 并分别作出ud与iT的波形。

解：①当LB＝0 时：

Ud＝2.34U2cosα＝2.34×220×cos60°＝257.4（V） Id＝（Ud－E）∕R＝（257.4－200）∕1＝57.4（A） ②当LB＝1mH 时 Ud＝2.34U2cosα－ΔUd ΔUd＝3XBId∕π Id＝（Ud－E）∕R 解方程组得：

Ud＝（2.34πU2R cosα＋3XBE）∕（πR＋3XB）＝244.15（V）

16

Id＝44.15（A） ΔUd＝13.25（V）

又∵cos?－cos(??????)＝2XBId∕根号6 U2 cos(60??????)＝0.4485

γ＝63.35°－60°＝3.35°

ud、IVT1和IVT2的波形如下：

3-18单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪儿次？

答：单相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有2K (K=l、2、3…)次谐波，其中幅值最大的是2次谐波。变压器二次侧电流中含有2K+l(K=Ⅰ、2,3……)次即奇次谐波，其中主要的有3次、5次谐波。

3-19三相桥式全控整流电路，其整流输出电压中含有哪些次数的谐波？其中幅值最大的是哪一次？变压器二次侧电流中含有哪些次数的谐波？其中主要的是哪几次？

答：三相桥式全控整流电路的整流输出电压中含有6K(K=l、2、3……)次的谐波，其中幅值最大的是6次谐波。变压器二次侧电流中含有6K±l(K=l、2、3……)次的谐波，其中主要的是5、7次谐波。

3-20试计算第3题中I2的3、5、7次谐波分量的有效值I23,I25,I27

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解：在第3题中己知电路为单相全控桥，其输出电流平均值为 Id=38.99 (A) 于是可得： I23= I25= I37=

22Id/3??2222Id/5??2222Id/7??22×38.99/3π=11.7(A) ×38.99/5π=7.02(A) ×38.99/7π=5.01(A)

3-27三相全控桥变流器，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，U2=220V，LB=1mH，当

EM=-400V，b=60°时求Ud、Id与γ的值，此时送回电网的有功功率是多少？ 解：由题意可列出如下3 个等式： Ud＝2.34U2cos(π-β)－ΔUd ΔUd＝3XBId∕π Id＝（Ud－EM）∕R 三式联立求解，得

Ud＝[2.34πU2R cos(π-β)＋3XBEM]∕(πR＋3XB)＝－290.3（V） Id＝109.7（A）

由下式可计算换流重叠角：

cosa－cos(a + g )＝2XBId∕ 6 U2＝0.1279 cos(120° + g )＝-0.6279 γ＝128.90°－120°＝8.90° 送回电网的有功功率为 P= E I I R M d d

| | - 2 =400×109.7-109.72×109.7×1=31.85(W)

3-29什么是逆变失败？如何防止逆变失败？

答：逆变运行时，一旦发生换流失败，外接的直流电源就会通过晶闸管电路形成短路，或者使变流器的输出平均电压和直流电动势变为顺向串联，由于逆变电路内阻很小，形成很大的短路电流，称为逆变失败或逆变颠覆。

防止逆变夫败的方法有：采用精确可靠的触发电路，使用性能良好的晶闸管，保证交流电源的质量，留出充足的换向裕量角β等。

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3-30单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路中，当负载分别为电阻负载或电感负载时，要求的晶闸管移相范围分别是多少？

答：单相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0~180°，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~90°。

三相桥式全控整流电路，当负载为电阻负载时，要求的晶闸管移相范围是0~120°，当负载为电感负载时，要求的晶闸管移相范围是0~90°。

第四章 逆变电路

4-1无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？ 答：两种电路的不同主要是：

有源逆变电路的交流侧接电网，即交流侧接有电源。而无源逆变电路的交流侧直接和负载联接。

4-2换流方式各有那几种？各有什么特点？ 答：换流方式有4 种：

器件换流：利用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式。 电网换流：由电网提供换流电压，只要把负的电网电压加在欲换流的器件上即可。 负载换流：由负载提供换流电压，当负载为电容性负载即负载电流超前于负载电压时，可实现负载换流。

强迫换流：设置附加换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加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实现，也称电容换流。

晶闸管电路不能采用器件换流，根据电路形式的不同采用电网换流、负载换流和强迫换流3 种方式。

7-3什么是电压型逆变电路？什么是电流型逆变电路？二者各有什么特点。 答：按照逆变电路直流测电源性质分类，直流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要特点是：

①直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

②由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗

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角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。

③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

电流型逆变电路的主要特点是：

①直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。

②电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同。

③当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。

7-4电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？

答：在电压型逆变电路中，当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压和电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。在电流型逆变电路中，直流电流极性是一定的，无功能量由直流侧电感来缓冲。当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时，电流并不反向，依然经电路中的可控开关器件流通，因此不需要并联反馈二极管。

7-6并联谐振式逆变电路利用负载电压进行换相，为保证换相应满足什么条件？ 答：假设在t 时刻触发VT2、VT3使其导通，负载电压uo就通过VT2、VT3施加在VT1、VT4上，使其承受反向电压关断，电流从VT1、VT4向VT2、VT3转移，触发VT2、VT3时刻t必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。

4-7串联二极管式电流型逆变电路中，二极管的作用是什么？试分析换流过程。 答：二极管的主要作用，一是为换流电容器充电提供通道，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；二是使换流电容的电压能够施加到换流过程中刚刚关断的晶闸管上，使晶闸管在关断之后能够承受一定时间的反向电压，确保晶闸管可靠关断，从而确保晶闸管换流成功。

以VT1和VT3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可简述

20

如下：

给 VT3施加触发脉冲，由于换流电容C13电压的作用，使VT3导通，而VT1被施以反向电压而关断。直流电流Id从VT1换到VT3上，C13通过VD1、U相负载、W 相负载、VD2、VT2、直流电源和VT3放电，如图5-16b 所示。因放电电流恒为Id，故称恒流放电阶段。在C13电压uC13下降到零之前，VT1一直承受反压，只要反压时间大于晶闸管关断时间tq，就能保证可靠关断。uC13降到零之后在U 相负载电感的作用下，开始对C13反向充电。如忽略负载中电阻的压降，则在uC13=0时刻后，二极管VD3受到正向偏置而导通，开始流过电流，两个二极管同时导通，进入二极管换流阶段，如图5-16c 所示。随着C13充电电压不断增高，充电电流逐渐减小，到某一时刻充电电流减到零，VD1承受反压而关断，二极管换流阶段结束。后，进入VT2、VT3稳定导通阶段，电流路径如图5-16d所示。

4-8逆变电路多重化的目的是什么？如何实现？串联多重和并联多重逆变电路各用于什么场合？

答：逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高，二是可以改善输出电压的波形。因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波，还是电流型逆变电路输出的矩形电流波，都含有较多谐波，对负载有不利影响，采用多重逆变电路，可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。组合方式有串联多重和并联多重两种方式。串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来，并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。

串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。 并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路得多重化。

第七章 PWM控制技术

7-1试说明PWM控制的基本原理。

答：PWM控制就是对脉冲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制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

在采样控制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在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。

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以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等份，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等且脉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。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代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM 波形和期望得到的正弦波等效。

7-3单极性和双极性PWM调制有什么区别？三相桥式PWM型逆变电路中，输出相电压（输出端相对于直流电源中点的电压）和线电压SPWM波形各有几种电平？

答：三角波载波在信号波正半周期或负半周期里只有单一的极性，所得的PWM波形在半个周期中也只在单极性范围内变化，称为单极性PWM控制方式。三角波载波始终是有正有负为双极性的，所得的PWM波形在半个周期中有正、有负，则称之为双极性PWM控制方式。

三相桥式PWM型逆变电路中，输出相电压有两种电平：0.5Ud和-0.5 Ud。输出线电压有三种电平Ud、0、-Ud。

7-4特定谐波消去法的基本原理是什么？设半个信号波周期内有10 个开关时刻（不含0和p时刻）可以控制，可以消去的谐波有几种？

答：首先尽量使波形具有对称性，为消去偶次谐波，应使波形正负两个半周期对称，为消去谐波中的余弦项，使波形在正半周期前后1/4 周期以p /2为轴线对称。考虑到上述对称性，半周期内有5个开关时刻可以控制。利用其中的1 个自由度控制基波的大小，剩余的4 个自由度可用于消除4 种频率的谐波。

7-5什么是异步调制？什么是同步调制？两者各有何特点？分段同步调制有什么优点？

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制。在异步调制方式中，通常保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。

异步调制的主要特点是：

在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，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周期的脉冲也不对称。这样，当信号波频率较低时，载波比N较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称

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和半周期内前后1/4 周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM 波形接近正弦波。而当信号波频率增高时，载波比N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大，有时信号波的微小变化还会产生PWM 脉冲的跳动。这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。载波比N等于常数，并在变频时使载波和信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：

在同步调制方式中，信号波频率变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率fc也很低。fc过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc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，每个频段的载波比一定，不同频段采用不同的载波比。其优点主要是，在高频段采用较低的载波比，使载波频率不致过高，可限制在功率器件允许的范围内。而在低频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。

7-6什么是SPWM 波形的规则化采样法？和自然采样法比规则采样法有什么优点？

答：规则采样法是一种在采用微机实现时实用的PWM波形生成方法。规则采样法是在自然采样法的基础上得出的。规则采样法的基本思路是：取三角波载波两个正峰值之间为一个采样周期。使每个PWM 脉冲的中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，在三角波的负峰时刻对正弦信号波采样而得到正弦波的值，用幅值与该正弦波值相等的一条水平直线近似代替正弦信号波，用该直线与三角波载波的交点代替正弦波与载波的交点，即可得出控制功率开关器件通断的时刻。 比起自然采样法，规则采样法的计算非常简单，计算量大大减少，而效果接近自然采样法，得到的SPWM 波形仍然很接近正弦波，克服了自然采样法难以在实时控制中在线计算，在工程中实际应用不多的缺点。

7-8如何提高PWM逆变电路的直流电压利用率？

答：采用梯形波控制方式，即用梯形波作为调制信号，可以有效地提高直流电压的利用率。对于三相PWM 逆变电路，还可以采用线电压控制方式，即在相电压调制信号中叠加3的倍数次谐波及直流分量等，同样可以有效地提高直流电压利用率

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7-9什么是电流跟踪型PWM 变流电路？采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器有何特点？

答：电流跟踪型PWM变流电路就是对变流电路采用电流跟踪控制。也就是，不用信号波对载波进行调制，而是把希望输出的电流作为指令信号，把实际电流作为反馈信号，通过二者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率器件的通断，使实际的输出跟踪电流的变化。

采用滞环比较方式的电流跟踪型变流器的特点： ①硬件电路简单；

②属于实时控制方式，电流响应快；

③不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量；

④与计算法和调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多； ⑤采用闭环控制。

7-10什么是PWM整流电路？它和相控整流电路的工作原理和性能有何不同？ 答：PWM 整流电路就是采用PWM 控制的整流电路，通过对PWM 整流电路的适当控制，可以使其输入电流十分接近正弦波且和输入电压同相位，功率因数接近1。相控整流电路是对晶闸管的开通起始角进行控制，属于相控方式。其交流输入电流中含有较大的谐波分量，且交流输入电流相位滞后于电压，总的功率因数低。PWM整流电路采用SPWM控制技术，为斩控方式。其基本工作方式为整流，此时输入电流可以和电压同相位，功率因数近似为1。

PWM 整流电路可以实现能量正反两个方向的流动，即既可以运行在整流状态，从交流侧向直流侧输送能量；也可以运行在逆变状态，从直流侧向交流侧输送能量。而且，这两种方式都可以在单位功率因数下运行。

此外，还可以使交流电流超前电压90°，交流电源送出无功功率，成为静止无功功率发生器。或使电流比电压超前或滞后任一角度j 。

7-11在PWM整流电路中，什么是间接电流控制？什么是直接电流控制？ 答：在 PWM 整流电路中，间接电流控制是按照电源电压、电源阻抗电压及PWM 整流器输入端电压的相量关系来进行控制，使输入电流获得预期的幅值和相位，由于不需要引入交流电流反馈，因此称为间接电流控制。

直接电流控制中，首先求得交流输入电流指令值，再引入交流电流反馈，经过比较进行跟踪控制，使输入电流跟踪指令值变化。因为引入了交流电流反馈而称为直接电流控制。直流用的多。

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第九章电力电子器件应用的共性问题

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响？

答：电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口， 是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。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,减少开关损耗,对装置的运行效率、可靠性和安全性都有着重要意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就将近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。

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？其基本方法有哪些？各自的基本原理是什么？

答：主回路通常是高压回路，为了避免因为主回路的故障而导致回路串入高电压造成人身财产损失。由于电力电子器件造成了大量的谐波和电磁辐射，可能会对控制电路造成不小的影响。

光隔离电磁隔离。光耦，电磁感应。

9-3对晶闸管触发电路有哪些基本要求？IGBT，GTO，GTR和电力MOSFET的驱动电路各有什么特点？

答：晶闸管触发电路应满足下列要求：1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管的可靠导通；2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达到1-2A/US。3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠出发区域之内。

4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

IGBT驱动电路的特点是：驱动电路具有较小的输出电阻，IGBT是电压驱动型器件，IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。

GTR驱动电路的特点是：驱动电路提供的驱动电流有足够陡的前沿，并有一定的过冲，这样可加速开通过程，减小开通损耗；关断时，驱动电路能提供幅值足够大的反向基极驱动电流，并加反偏截止电压，以加速关断速度。

GTO驱动电路的特点是：GTO要求其驱动电路提供的驱动电流的前沿应有足够

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的幅值和陡度，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流，关断需施加负门极电流，幅值和陡度要求更高，其驱动电路通常包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分。

电力MOSFET驱动电路的特点：要求驱动电路具有较小的输入电阻，驱动功率小且电路简单。

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