电力电子技术POWER ELECTRONICS习题答案主编阮新波参编：刘 福 鑫 陈 新 陈 杰机械工业出版社- 1 - 第 1 章 绪 论1 - 1 电力电子技术的定义是什么？ 请用倒三角图来表示电力电子技术与电子、 电力和控制学科之间的关系答： 电力电子技术是一种电力变换技术， 它利用功率半导体器件对电能进行高效变换,包括对电压、电流、频率和波形等的变换，以满足各种不同用电设备的需求电力电子技术与电子、电力和控制之间的关系如下图所示：图 解 1-11 - 2 电力电子变换器有哪几种类型？各实现什么功能?答：1 ) 电力电子变换器有四种类型，如下表所示：表 1 -1 电力电子变换器的分类出输 大 、直流交流直流直流变换器逆变器交流整流器交交变频器2 ) 直流变换器(DC-DC Converter)是将一种直流电转换成另一种或多种直流电的变换器；逆变器(DC-AC Inverter)是将直流电转变为交流电的变换器，又称直交变换器；整流器(AC-DC Rectifier)是将交流电转变为直流电的变换器，又称交直变换器； 交交变频器(AC-ACCyclo-converter)是将一种频率的交流电直接转换成另一种-2 - 频率或可变频率的交流电，或是将频率变化的交流电直接转变为恒定频率交流电的变换器。
1 -3电力电子技术诞生的标志是什么？答：1957年，美国通用电气公司研制出第一只晶闸管(Thyristor),标志着电力电子技术的诞生1 -4请结合电力电子器件的发展，简要叙述电力电子技术的发展历史答：如下图，文字叙述略史前期( 黎明期) 晶闸管问世,--------------4- - - - - - - - - - ' ( 电力电子元年)电子管问世 晶体管诞生 /全控型器件 GaN器 件SiC MOSFET发展迅速 SiC二 极 管 问 世 问世，----- "----------s 问世 / /1904 19301947 1957 1970 1980 1990 2(X)2 2010 2011 2020 时间( 年份)-------v --------水银( 汞弧)整流器时代晶闸管时代 功率集成器件发展阶段1 -5请举例说明电力电子技术的应用答：(1) 一般工业应用：直流、交流传动系统，电解铝、电解食盐水、电镀等整流电源，冶金工业中的感应加热电源、淬火电源和直流电弧炉电源等2 )电力系统：高压直流输电(HVDC)、柔性交流输电(FACT)、静止无功补偿装置(SVC)、 静止无功发生器(SVG)、 有源电力滤波器(APF)、 动态电压调节器(DVR)等。
3 )电气化交通： 轨道交通牵引系统、 辅助变流器， 磁悬浮列车的电力电子装置，电动汽车驱动装置以及充电桩、舰船综合电力系统、多电/ 全电飞机的电源变换装置等 4 )信息技术产业：数据中心供电系统、不间断电源(UPS)、服务器电源等等 5 )新能源发电：光伏并网逆变器、风力发电变流器、储能变流器等 6 )电子电器：LED照明驱动电源，空调、洗衣机等变频驱动电源，电视、音响设备等供电电源， 笔记本电脑、 智能等适配电源， 自动化设备的供电电源等3 - 第 2 章相控整流电路2-1晶闸管的导通条件是什么？ 如何使导通的晶闸管关断？答：（ 1 ）晶闸管的导通需要两个条件：① 正向阳极电压，即晶闸管的阳极、阴极之间必须施加正向电压；② 门极触发脉冲：即晶闸管的门极、阴极之间必须加上适当的正向门极电压，且门极触发脉冲的最小宽度，应至少使阳极电流上升至擎住电流/L 2 ）晶闸管一旦被触发导通，门极即失去控制作用若需要关断晶闸管，需利用外电路的作用使阳极电压减小到零或以下，或施加反向阳极电压使流过晶闸管的电流下降到维持电流/H （ 一般为十几毫安到几时毫安）以下2 - 2请画出晶闸管的双晶体管等效电路, 并简述其开通正反馈过程。
答: 双晶体管模型见图解2 - 1R图解2 - 1其正反馈过程如下（ 叙述略） :/ gf / b 2 4 f /c2 t ( / b l » f / c l 举2-3额定电流为1 0 0 A ,额定电压为3 0 0 V的晶闸管，维持电流/ H = 4 m A ,使用在如图2 . 5 2所示的电路中，是否合理？为什么？ （ 注：不考虑电压、电流裕量 ）-4 - 答：图 2 . 5 2 ( a ) , 不合理图 2 . 5 2 ( b ) , 不合理图 2 . 5 2 ( c ) , 合理2 - 4 在图2 . 5 3 所示电路中，£ = 5 0 V , R = 0 . 5 C , Z = 0 . 5 H , 晶闸管擎住电流为1 5 m A 要使得晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？L = 0 . 5 HE = 5 0 VR = 0 . 5 C图 2 . 5 3答:晶闸管门极触发电流脉冲宽度至少为1 5 0 2 2 - 5 图 2 . 5 4 所示为晶闸管的三种导通电流波形，各波形的电流峰值为小 1 ) 试计算它们的电流平均值/ T _ a v e 、有效值斤」 心及波形系数。
2 ) 选用额定电流为1 0 0 A 的晶闸管， 不考虑安全裕量， 试计算该晶闸管在上述三图 2 . 5 4答：( 1 ) 平均电流分别为：/T l a v e= 0 . 2 7 1 7 Zm； = 0 5 4 3 % ; G a v e = 与电流有效值分别为:-5 - 4 ms= 0 4 7 6 7 / , “ ； /1 2 r m s = 0 . 6 7 4 1 " ； 43 m s =?2波形系数分别为：际 =1 . 7 5 ； 3=1.24； % = 22)晶闸管的额定电流为1 0 0 A ,即 /T= 1 0 0 A ：/Ti _ a v e = 8 9 . 7 ( A ) ； /T 2 a v c=1 2 6 . 6 ( A ) ； /T 3 a v c = 7 8 . 5 ( A )故/n i l= 3 3 0 ( A ) ； /i n 2= 2 3 3 ( A ) ； /m= 3 1 4 ( A )2-6某电热A C / D C装 置 （ 电阻性负载） ，采用单相半波可控整流电路供电，如图2 . 5 5所示，要求其输出直流平均电压为7 5 V ,电流为2 0 A , S = 2 2 0 V。
请计算晶闸管的控制角a,导通角仇负载电流有效值，并计算晶闸管的电压电流定额（ 考虑两倍安全裕量） 答：（ 1 ）控 制 角a = 6 0 °,导 通 角， = m a = 1 2 0 2 ）负载电流有效值：J = 3 7 . 2 （ A）（ 3 ）若考虑两倍裕量，晶闸管的额定电流为：.= 4 7 . 4 （ A）晶闸管的额定电压为：t /T= 6 1 1 （ V）2-7如图2 . 5 6所示单相半波可控整流电路，大电感负载，5 = 2 2 0 V , 2 ?Ld = 1 0 Q ,要求输出整流电压平均值为 〜3 0 V连续可调，试计算控制角a、导通角 的变化范围，选择晶闸管定额（ 考虑两倍安全裕量）并计算变压器的副边容量.-6 - 答：( 1 ) 控制角a 的变化范围为：113.2 〜 180 ,导通角0的变化为范围0-66.8%( 2 ) 考虑两倍裕量，晶闸管的额定电流为/T = 1.64(A)额定电压:UT=622(V)( 3 ) 变压器的次级容量：S2 = 283.8 (V - A)2 - 8 如 图 2.57所示单相双半波整流电路，大电感负载，输出整流电压孔 变化范围为30-50V , 最小控制角始加为45。
，要求负载电流均能达到100A 1 ) 计算晶闸管导通角范围，以及其电流有效值和平均值 2 ) 计算变压器原副边变比 3 ) 试绘出a=45 时输出整流电压2 小 晶闸管承受的电压uT的波形图 2.57答：( 1 ) 晶闸管导通角范围为115.1 〜 135晶闸管电流有效值及平均值：VmK=7 0-7 (A)/ …=50 (A)(2 )变压器原副边变比：K = 2.8 K 取 3⑶ a=45 时输出整流电压由、晶闸管承受的电压〃T的波形如图解2-2所示7 - 2 - 9 图2 . 58 为带续流二极管的单相双半波可控整流电路， 大电感负载， 已知t /2= 2 2 0V ,7 ? L d = 2 0Q , a = 60° 1 ) 考虑两倍安全裕量，计算晶闸管电流、电压定额 2 ) 计算续流二极管电流平均值和有效值答：( 1 ) 晶闸管的额定电流为：/T= 5. 4 6( A )晶闸管的额定电压为：C /T = 1244(V)( 2 ) 续流二极管电流平均值及有效值：^ D F W . a vc = 2 - 4 8 ( A )2 - 1 0图2 . 59所示单相桥式全控整流电路， 大电感负载， 已知S = 1 00V , R L d = 1 0Q ， 户4 5。
8- ( 1 ) 若负载端不接续流二极管OFW，计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管电流有效值 2 ) 若负载端接续流二极管DFW，计算输出整流电压、电流平均值及晶闸管、续流二极管电流有效值 3 ) 画出有续流二极管时〃 d 、况)、必取及变压器副边电流的波形答：( 1 ) 负载端不接续流二极管时，输出整流电压平均值：Q = 63. 64 ( V )电流平均值：Ia = 6. 36 ( A )晶闸管电流有效值：4 . 5( A )( 2 ) 负载端接续流二极管时，输出整流电压平均值：a = 7 6. 8 5 ( V )整流电流平均值：4=” • = 7 . 69( A )%晶闸管电流有效值：名…小⑹续流二极管电流有效值：3. 8 4 ( A )(3 )波形如图解2 - 3所示9 - 2 - 1 1 如图2 . 60所示单相桥式全控整流电路， t /2= 1 00V , R “ = 2 Q , 反电势E = 60V , 当 ” = 30时：( 1 ) 作出" d 、i d 、斤1 、" T 1 和 ， 2 的波形 2 ) 求整流输出电压U d 、电流〃，变压器二次侧电流有效值/2 。
3 ) 考虑两倍安全裕量，计算晶闸管的额定电压和额定电流答：( 1 ) 波形如图解2 - 4 所示-10- ( 2 ) 先求停止导通角( 5 ：5 = 2 5. 1 当 a = 30 时，a > 6 ,则整流输出电压：U& = 98 . 1 6( V )输出电流：/d = 1 9. 06( A )变压器二次侧电流有效值/2 ：12 = 2 4 . 8 ( A )( 3 ) 考虑两倍安全裕量，晶闸管电流定额为：/T= 2 2 . 3( A )晶闸管的额定电压：a= 2 8 2 ( V )2 - 1 2 如图2 . 61 所示， 整流电路为反电动势负载供电， 电感/足够大， 电源电压｛ 7 2 = 2 2 0V ,« = 90°, 负载电流为5 0 A , 请计算：( 1 ) 晶闸管、续流二极管的电流平均值及有效值；( 2 ) 若电枢绕组的电阻R ur O . 2 电动机的反电动势多大？答：( 1 ) 晶闸管电流平均值及有效值：J 1 2 . 5( A )/T_r ms= 2 5( A )- 11 - 续流二极管电流平均值及有效值:( 2 ) 电动机反电动势:- 5 ( A )^ D F W . r ms = 35. 4 ( A )E = 8 9( V )2 - 1 3单相桥式全控整流电路如图2 . 61 所示，反电动势阻感负载，« 72= 1 00V , E = 50V ,R = 1 C , 乙足够大，a = 60%( 1 ) 画 出 " 八 H 2、加、打的波形( 晶闸管和二极管电压参考方向为阳极为正，阴极为负) ；( 2 ) 求输出电压和输出电流的平均值为、〃、电感L的平均电压、变压器二次侧电流有效值/2 ；( 3 ) 考虑两倍安全裕量，确定晶闸管的额定电压和电流，以及二极管。
的额定电流；( 4 ) 若不使用平波电感L,其它条件保持不变，S 会不会有变化，为何？答：( 1 ) 波形如图解2 - 5所示12- 图解2 - 5( 2 ) 单相桥式全控整流电路输出电压：5= 67 . 5( V )输出电流为：/. = 1 7 . 5 ( A )稳态工作时，电感上的平均电压为零变压器二次侧电流有效值：1 4 . 3( A )( 3 ) 晶闸管的电流有效值：匕 神 = 1 0. 1 ( A )晶闸管承受的最大电压：%R = y/2U2 = 1 4 1 ( V )考虑2倍的安全裕量，则晶闸管的电流、电压定额为：/T = 1 2 . 8 7 ( A )% = 2 & 必 = 2 8 2 ( V )考虑2 倍的安全裕量，则二极管的电流定额为：/= 9. 65( A )( 4 ) 如果没有人 输出电压会升高2 - 1 4 如图2 . 62 所示，某电阻性负载单相桥式半控整流电路，若晶闸管乃烧断试画出整流二极管 2 、 晶闸管八以及负载电路两端的电压波形; 若改为大电感负载，电压波形又如何？-13- id答：如下图所示2-15图2.63所示为单相桥式半控整流电路，由220V经变压器供电，负载为大电感并接有续流二极管。
要求输出整流电压20-80V连续可调，最大负载电流为2 0 A ,最小控制角amin=30°»( 1 )计算晶闸管的导通角范围 2 )计算晶闸管、整流二极管、续流二极管的电流有效值 3 )计算变压器容量 答:（ 1）晶闸管导通角范围为57.7°-150°（2）晶闸管电流有效值/T,ms与整流二极管的电流有效值相等，为:= 12.9(A)续流二极管电流有效值为:，DFW_rms = 1 6 .5 ( A )（3）变压器容量:=1744 (V,A)2-16单相桥式半控整流电路接电阻性负载，输出整流电压30〜100V连续可调，要求负载电流能达到20A当①采用220V交流电网直接供电；②采用变压器降压供电,最小控制角4疝 产30 试分析两种供电方式下晶闸管的导通角和电流有效值、交流侧电流有效值及电源容量答：（ 1）采用220V交流电网直接供电：晶闸管导通角的范围为45.8~ 90.6变压器二次侧电流有效值为：电源容量4皿 =45.4(A)5 = 9.988 (kV-A)（2）采用变压器降压供电:-15- 晶闸管导通角的范围为64 ~ 150 ;当变压器二次侧电流有效值为：电源容量&= 38(A)5 = 4,552(kV.A)2-17在三相半波可控整流电路中，如果触发脉冲出现在自然换相点之前，会出现什么现象？电路能否正常换相？试画出电阻性负载和电感性负载的的波形。
答：出现在换相点之前的触发脉冲，不能完成晶闸管的换相，从而出现输出波形脉波丢失的现象电阻性负载波形如图解2-7(a)所示假 设 B 相晶闸管的触发脉冲出现在自然换相点之前当触发A 相晶闸管，则 A 相晶闸管导通当触发B 相晶闸管时，由于 A 相电压高于B 相电压，A 相晶闸管继续导通，B 相晶闸管因承受反压而不导通过了自然换相点后，尽管B 相电压高于A 相电压，但 B 相晶闸管的触发脉冲已消失，故 B 相晶闸管仍不导通对于大电感负载而言， 当触发B 相晶闸管的触发脉冲出现再自然换相点之前,则 B 相承受反向电压而不导通，而 A 相晶闸管将继续导通至该相相电压过零点，并进入负半周，直 到 C 相晶闸管的触发脉冲到来，其整流电压波形如图解2-7(b)所示2-18具有续流二极管的三相半波可控整流电路, 大电感负载7?Ld=10Q, U2=220V,当a=60° 时，请:-16- ( 1 ) 作出“ d 、晶闸管电流汗、续流二极管电流i D F W 的波形；( 2 ) 计算输出电压、 电流平均值U d 、 / d 以及晶闸管和续流二极管电流有效值介_ 皿答：( 1 ) 波形如图解2 - 8 所示:图解2 - 8( 2 ) 输出电压平均值Ud = 148.6( V)输出电流平均值4=与=1 4 . 8 6 ( A )%晶闸管电流有效值匕 出 = 7 . 4 3 ( A )续流二极管电流有效值7 . 4 3 ( A )2 - 1 9 三相半波整流电路，a = 9 0 。
，S = 2 2 0 V , 阻感性负载/ ? L d = 1 0 C ，但由于电感心不够大( 必 加 ) ,只能使晶闸管阳极电压过零后，再维持导通3 0 1 ) 画出〃 d 、i d 、" T I 、斤 1 的波形17- ( 2 ) 计算输出电压U d 、k ( 列出计算公式) 3 ) 考虑两倍安全裕量，确定晶闸管的额定电压和电流答：( 1 ) 波形如图解2 - 9 所示图解2 - 9( 2 ) 结合图解2 - 9 可知，该整流电路输出电压、电流分别为S = 5 4 . 4 ( V )乙=3 = 5 . 4 4 ( A )( 3 ) 晶闸管承受线电压峰值， 若考虑2倍安全裕量，则有 1 = 2 同 /=1 0 7 7 . 8 ( 丫 )实际晶闸管电压定额可选取1 2 0 0 V »考虑2 倍安全裕量，则晶闸管的通态平均电流/T = 9 . 3 9 ( A )实际晶闸管电流定额可选取1 0 A o2 - 2 0 三相半波可控整流电路为反电势和阻感负载供电已 知 5 = 1 0 0 V , / ? L d = lQ ) 乙值极大，/ B = lm H 求当a = 3 0 。
、£= 5 0 V , 5、4和换相重叠角》 值，并作出" 八斤的-18- 波形答：( 1 ) 根据已知条件可得:I. =44.63AUd = 94.63V由换相重叠角计算公式求得换相重叠角为:7 = 18.1°( 2 ) 如、H的波形如图解2 - 1 0 所示:“ d ”"a "b 〃c\ / \ / \ / \ / \\ ^cotTa+Tc+0cot图解2 - 1 02 - 2 1 图 2 . 6 4 为三相桥式全控整流电路， a = 6 0 ， 试分析电路出现下列故障时uA的波形 1 ) 熔断器1 R D 熔断；( 2 ) 熔断器2 R D 熔断；( 3 ) 熔断器2 R D 、3 R D 熔断 19- 答：( 1 )熔断器1 R D熔断时w d的波形如图解2 - 1 1 ( a )阴影部分所示凡是与a相相关的电压均无输出，如线电压〃a b、“ a c、〃 c a 2 )熔断器2RD熔断时" d的波形如图解2 - 1 1 ( b )阴影部分所示凡是与b相相关的电压均无输出，如线电压“ b a、" b e、" c b 3 )熔断器2 R D、3 R D熔断时“ d的波形如图解2 - 1 1 ( c )所示，此时电路无输出电压。
c)⑶图解2 - 1 12 - 2 2三相桥式全控整流电路，负载为电阻性，如果有一个晶闸管被过压击穿而短路，对电路将会造成什么影响？答：三相桥式全控整流电路带电阻性负载，如果有一个晶闸管过电压击穿短路，例如共阴极组中一只管子短路，则其余共阴极组中任意一只晶闸管被触发导通后，都要引起电源线电压短路，使管子连续烧坏，严重时还会损坏输入变压器所以要求每个晶闸管桥臂中应串接快速熔断器，以保护晶闸管及整个电路2 - 2 3三相桥式可控整流电路，共阴极组晶闸管T + a、T + b、T + c以控制角m= n/ 3、# 3、兀 /3-20- 触发导通，共阳极组晶闸管T-a、T-b、乙以控制角42=0、兀 / 6、兀 /3 触发导通试画出输出整流电压由的波形，计算整流电压平均值答：波形如图解2-12所示:图解2-12整流电压平均值为:〜 ， 万 、 2兀 、2cos(— k a) + cos(—— + a) - cos a3 32 -2 4 图 2.65错误! 未找到引用源为三相桥式半控整流电路1)当负载分别为电感性和电阻性时，电路输出整流电压波形是否相同，试分别答:⑵画出a=60°和 90°时处的波形:-21 - ( 1 ) 当负载为电感性和电阻性时，电路输出整流电压波形相同，如图2-13所示。
a) a = 60b) a = 90°图解2-13( 2 ) 略2-25三相桥式全控整流电路为反电势、 大电感负载供电 S=220V, E=200V, RLd=\n,a=60°o( 1 ) 不计漏感，求输出整流电压和电流Ud、/d值；( 2 ) 当LB=lmH时，计算“、la、Y值，并分别作出"d、斤的波形答：( 1 ) 不计漏感时：S = 257.4(V )/d-57.4(A)( 2 ) 当 LB=lmH 时有：『44.2(A)4 =244.1( V)7 = 3.35d、斤的波形如图解2-14所示：-22- 图解2 - 1 42 - 2 6 5 k W / 2 5 0 V 的直流电动机采用三相桥式全控整流电路供电，电枢电阻凡= 5 Q ,AB= l mH , a= 6 0 ，假设平波电抗器足够大，求：( 1 ) 输入电压S 和反电动势E ；( 2 ) 变压器二次容量以及功率因数( 忽略开关器件的损耗) 答：( 1 ) 代入已知数据，解得输入电压为：5 = 2 1 8 . 8 ( V )反电动势为：E = 1 5 0 ( V )( 2 ) 变压器二次容量为:-23- S2=10.719(kVA)功率因数cos(p2 = 0 . 4 72 - 2 7 电镀用整流装置，采用带平衡电抗器的双反星形电路供电，变压器原边线电压为3 8 0 V , 要求输出整流平均电压U d = 1 8 V , 电流为3 0 0 0 A , 考虑〃 min= 3 0 。
1 ) 试计算变压器副边相电压、晶闸管电流平均值，并估算整流变压器容量；( 2 ) 当负载电流下降至3 0 0 A 时，仍能保证线路正常运行，估算平衡电抗器电感量如果要求降至6 0 A 时，其电感量又应为多少？( 3 ) 当负载电流小于规定的最小电流值，整流装置的输出电压将怎样变化？答：( 1) A,若整流变压器一次侧接成三角形，二次侧接成双反星形，则变压器次级相电压为：& = 17. 8( V)晶闸管电流平均值为：仆=认=500( A )O整流变压器总容量为：S = 1( S , + S2) = 79. 9( k VA )B 、若整流变压器的绕组是一次侧星形，二次侧双反星形接法，则& = 17. 8( V)整流变压器一次侧电流有效值为100. 5( A )整流变压器总容量为：S = g( S 1+ S j= 79. 9( k VA )S和 S 2 的值与三角形接法相同， 可以看出一次、 二次绕组接法不同， 但容量相同 2 ) 所需平衡电抗器的最小电感量为:-24- 当 G , , = 3 O O A 时:4 = 普=°09（硒 ）当 小=6 0 A时：Ld= 0. 4 5（ mH）（ 3 ）如果/d< /dm in ，则该电路将逐渐失去两组三相半波并联导电特性，向六相半波整流电路过渡， 每一瞬间只有一只晶闸管导电， 输出的理想空载电压由原来的1. 1 7 5向1. 3 5S过渡，一般情况下应避免这种情况。
2 - 2 8双反星形可控整流电路中的平衡电抗器起什么作用？当双反星形可控整流电路工作在图2 . 66所示扇区3时，带平衡电抗器和不带平衡电抗器两种情况下的导通的晶闸管是否一样，为什么？图 2 . 66答：（ 1）平衡电抗器的作用是补偿两组三相半波电路输出和1 2的瞬时电压差，使得两组晶闸管同时导电，并联供电，同时使负载电流趋于均衡 2 ）不一样 工作于扇区3时， 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路导通的晶闸管 为 八 和 或；不带平衡电抗器的双反星形可控整流电路导通的晶闸管为7七 2 - 2 9晶闸管整流电路实现有源逆变的条件是什么？哪些整流电路不能实现有源逆变？答：（ 1）有源逆变是指将直流电转换成交流电后，再返送回交流电网实现有源逆变有两个条件：1）内部条件：7t /2 < a< 7t ; 2 ）外部条件：ED>UD,同时ED-25- 反极性 2 ) 输出有续流二极管的整流电路和桥式半控整流电路不能实现有源逆变2 - 3 0图 2 . 67所示电路，5= 2 2 0V, FD= - 12 0V, 电枢回路总电阻a = 1设电流连续说明当逆变角夕= 60时电路能否进行有源逆变？计算此时电机的制动电流，画出此时输出电压波形。
图 2 . 67答：( 1 ) 当逆变角6= 60 时，电路满足有源逆变的要求 2 ) 制动电流A , = % ED) = 2 1( A )图解2 - 152 - 3 1已知三相桥式电路， 心= 0. 8 A = 5m H , S /= 2 3 0V, 工作于逆变状态， £D= - 2 90V,设电流连续如允许/dm in = 3 0A , 请计算为射，并选择晶闸管电流定额答:-26- ( 1 ) 最大逆变角满足:, 431°( 2 ) 考虑两倍裕量，晶闸管的额定电流为：/T = 0. 73 5/dm a) 1( A )2 - 3 2 绘出三相桥式逆变电路4 = 兀 / 4时，晶闸管77c和 两 端 的 电 压 波 形 • 分析它们承受的正、反向最大电压各为多少？答：晶闸管T +c和兀两端的电压波形如下图所示：图解2- 16它们承受的正向最大电压为线电压峰值：%= M v)它们承受的反向最大电压为:-27- ^ T _ p k =V 6t /2co s 1^ ( V )2- 33三相桥式全控电路， 输入相电压100V ,电源变压器漏感折合到变压器副边为1. 5m H ,设电流连续。
1 ) 当 / d =50A,计算换相压降；( 2 ) 如果不计晶闸管关断时间及安全裕量，计算此时的最小逆变角夕m i n ；( 3 ) 计算此时全控桥输出直流电压大小答：( 1 ) 当漏感/ B =L5m H 时，则换相压降为：mYA U d = 3 / d = 2 2 . 5 ( V )2万( 2 ) 不计晶闸管关断时间及安全裕量，最小逆变角" m i n 为：%, =48 3 ) 全控桥输出直流电压为：S =- 179( V )2- 34三相全控桥式电路给某卷扬机负载调速电机反电动势£ =400V ,电枢绕组等效电阻 & =1逆变角4=60 ， 电感无穷大,变压器二次侧相电压S =220V ,漏抗LB =l m H 在负载( 重物)下降时：( 1 ) 电动机和晶闸管电路分别处于什么工作状态？( 2 ) 画出⑷、小 》 的波形；( 不计变压器漏抗)( 3 ) 求电枢电压平均值”、电流平均值/ d 以及换相重叠角小( 4 ) 此时，回馈到电网的有功功率是多少？( 5 ) 若突然增大电路的逆变器角从电动机转速如何变化？说明变化过程答：( 1 ) 电动机处于制动发电状态，晶闸管电路处于有源逆变工作状态。
2 ) 如图解2- 17所示-28- 图解2-17( 3 ) 代入已知数据可得：109.7(A)U & =-290.3(V)由换相重叠角计算公式解得换相重叠角为：y = 8.9°( 4 ) 回馈到电网的有功功率为P = 31.85(kW)( 1 ) 逆变角夕突然增大时，QdH2345cos/?|也下降，而电动机因机械惯性转速来不及改变，所以反电动势E 不变，则流过电动机电流/d增大，电动机工作在发电制动状态的电磁转矩六GT〃d增大， 所以引起电动机转速下降当转速〃下降到一定值时，即反电动势E 达到一定值时，使 / ( ! =( ■- © / 氏恢复到原值,使电动机轴上转矩平衡，电动机以较低的转速使重物恒速下降第 3 章高频功率半导体器件3 - 1 按照特性不同，功率二极管可分为哪几类？分别适用于哪些场合？答：按照耐压及反向恢复特性的不同，功率二极管通常分为三类：( 1 ) 普通二极管：正向导通电流定额和反向电压定额可以达到很高，正向导通压降较低，但其反向恢复时间较长，多用于开关频率不高( 1kHz以下) 的整流电路中 2 ) 快恢复二极管： 亦称为快速二极管， 其恢复时间相对较短( 通常在5得 以下) ，正向导通压降高于普通二极管，反向电压额定多数在200〜2000V之间，主要-29- 用于开关频率较高的电力电子装置中。
3 ） 肖特基二极管：是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，其反向恢复时间远小于相同定额的二极管，而且与反向的d i / d t 无关因此，肖特基二极管通常适用于对开关损耗比较敏感的高频或超高频电力电子电路中根据材料的不同，肖特基二极管又可以进一步分为普通（ 硅 ）肖特基二极管和碳化硅肖特基二极管两种前者所能承受的反向定压定额较低，通常不超过2 5 0 V , 而且发向漏电流较大， 对温度敏感； 后者则能承受较高的电压定额（ 高达 1 0 k V ） ,以及更高的工作温度3 - 2 何为二极管的反向恢复？其发生的前提条件是什么？答： 当一个处于正向导通的二极管突然施加反压时， 二极管不能立即关断， 而是需经过一段时间才能重新恢复反向阻断能力并进入完全截止状态，在此过程中，二极管电流反向，这个过程称为反向恢复其发生需有两个前提条件：1 ）处于正向导通状态；2 ）导通过程中突然施加反压3 - 3 二极管在恢复阻断时为什么会形成反向电流和反向电压过冲？这种反向恢复电流在电路使用中会带来什么问题？答： 功率二极管电容效应的存在， 在二极管导通流过正向电流时， 在结电容中存储一定的电荷（ 载流子） 。
当外加反向电压时，正向电流下降到零，二极管并不能立即截止电流进一步减小至反向， 释放结电容中存储的电荷， 直至全部电荷被复合， 二极管才恢复阻断通常，定义二极管正向电流下降到零时起，到反向电流下降到反向峰值电 流 1 0 % 为止的时间间隔，称为二极管的反向恢复时间加因为二极管的反向电流衰减速度很快，会在外部电路电感（ 包括各类计生电感）上产生较大的感应电压，从而使二极管两端产生较高的反向电压尖峰3 - 4 二极管的等效结电容由哪两种电容综合而成？它们产生的机理是什么？答：二极管的等效结电容是势垒电容CB和扩散电容CD的综合反应势垒电容：PN结势垒区宽度变化意味着区内存储的正负离子电荷数的增减，类似于平行板电容器两极板上电荷的变化， 此时P N 结呈现出的电容效应称为势垒电容CB扩散电容：当 P N 结处于正向偏置时，若 外 加 电 压 有 一 增 量 空 穴 （ 电子）扩散运动在P N 结附近将产生一电荷增量A0,二者之比4 0 / 加, 为扩散电容CD30- 3 - 5 请绘出功率二极管反向恢复过程的电压电流波形，并简要叙述其动态过程答：波形如图解3-1所示图解3-1图 解 3 -2 给出了考虑结电容效应后二极管在反向恢复过程中的等效电路图，其中G 为二极管的结电容，。
为结电容存储电荷，L 为回路中的电感( 串联电感或寄生电感) a) [0,川(b)/㈤Ude+ R -- I------ hQiD - 如 +FTRQL(c) [t2, h](d) [t3,.图解3-2在 “ 时刻之前，二极管处于正向导通状态，其正向导通压降为5,如图3-2(a)所示在 t \ 时刻，二极管外加电压U * 突然反向，二极管电流开始下降由于存在电感L , 二极管电流不会瞬时下降到零，仍然处于导通状态，如图3-2(b)所示在 玄时刻， 二极管电流下降至零 此时， 结电容存储的电荷0并不能立即消失，二极管两端电压"D仍为正向导通压降小此后，在反向电压U *的作用下，反向电流-31 - 从零开始增加，如图3 2 ( c ) 所示在 “时刻，反向电流达到最大值/RP，该反向电流使存储电荷逐渐消失，“ D 下降至零3 - 6 流过二极管的电流波形如图3 . 2 2 所示正向导通压降为1 . 2 V , 不考虑反向恢复特性 1 ) 选择二极管正向电流定额 2 ) 求平均功率损耗 3 ) 若二极管( 乂= 1 7 5 结- 壳热阻R j c = 1 . 2 o C / W , 接触热阻为0 8 C / W , 散热器热阻为0 . 5 OC / W , 环境温度5 0 。
( ： 时，结温是多少？答：( 1 ) 若考虑1 . 5 倍的安全裕量，该二极管允许流过的额定电流人为/F = 1 4 . 7 2 ( A )( 2 ) 平均功率损耗( 3 ) 结温/ > „„= 1 1 . 2 5 ( W )4 = 7 8 . 1 2 5 ” )3 - 7 为什么功率开关管在开关瞬态过程中容易被击穿？可采取什么措施防止？答：在电路开关瞬态过程中，电路将产生很高的电压或电流变化率，在寄生电感或电容上感应大电压U ’ b 或电流小，可能达到二次击穿出发功率R产4,进而达到二次击穿临界出发能量Esh=PsbkUsblsbt,产生二次击穿采用缓冲吸收保护电路，或采用软开关电路，不进可以抑制开关瞬态电流和电压的峰值，还可以是两者错开一定的相位，减小开关期间器件的瞬时功率，从而避开二-32- 次击穿产生的条件，抑制二次击穿的有效措施3-8 请画出 SCR、BJT（ NPN 型） 、MOSFET, IGBT 的电气符号？答：电气符号如图解3-3：图解3-33 - 9 请画出考虑寄生电容与体二极管的功率MOSFET等效电路图并 分 析 MOSFET米勒效应的产生过程答：等效电路如下图。
密勒效应是指MOSFET的栅源极电压达到开启电压后，在开通瞬间WDS快速下降，密勒电容CGD也需要放电以适应D S电压变化此时，驱动电流被分流，从而使得"GS基本维持不变3-10何为IGBT的电流拖尾现象？它是怎么产生的？答：DIGBT的电流拖尾现象是指IGBT在驱动信号关断后，流过开关管的电流无法快速到零，而是有一个缓慢减小的过程2）电流拖尾现象对应IGBT内部PN P晶体管的关断过程，由于PN P晶体管基区载流子高注入，存储电荷无法用外加反向抽流使其迅速消失，只能靠自然复合消-33- 失，从而出现I G B T关断时特有的电流拖尾现象3 - 1 1同S i M O S F E T相比，S i C M O S F E T在特性上有什么不同答：1 ）低电阻特性在相同电压和电流等级下，S i C M O S F E T的导通电阻要显著小于硅M O S F E T ,且S i C M O S F E T的封装体积小，有利于提高电路功率密度2 ）高速工作特性S i C器件饱和电子漂移速率约为S i器件的3倍，此 外S i C M O S F E T的体二极管与S i C肖特基二极管相同，具有快速恢复性能。
因此S i C M O S F E T工作频率更高3 ）高温工作特性S i C M O S F E T更适用于高温工作环境，一方面是由于S i C M O S F E T自身损耗小，发热量小，温升相对较小；另一方面，S i C M O S F E T的热导率高，更有利于散热第4章非隔离型直流变换电路4 - 1若需要实现一个直流变换电路，其输入电压U n = 2 4 V ,输出电压”= 5 V ,输出电流/ °= 5 A ,负载电阻R L d = l请问有哪些方法可以实现上述功能？各有什么特点？答：可以采用以下三种方法来实现：（ 1 ） 电阻分压： 特点是损耗大， 理论效率只有约2 1 % ；输出电压无法调节 2 ） 线性调节：特点是损耗大，效率与电阻分压方法相近；输出电压可以闭环调节，稳定性好 3 ） 开关变换：特点是损耗小；输出电压可以闭环调节，稳定性好；但高频开关会产生E MI问题4 -2如图4 . 5所示B u c k变换器，开关管0工作在开关状态，开关周期为T s ，滤波电感心和电容C f足够大，但均为有限值，负载电阻为Aw电路工作在电感电流连续模式，占空比为D y,负载中的电流脉动忽略不计。
1 ）推导输出电压” 的表达式 2 ）画出开关管两端电压波形（ 标注电压大小）和电容电流i c的波形34- ( 3 ) 推 导 输 出 电 压 脉 动 的 表 达 式 答：( 1 ) 利用滤波电感伏秒平衡原理解得输出电压平均值a 为U0 = D,U［“( 2 ) 波形如图解4 -1 所示：图解4 -1( 3 ) 输 出 电 压 脉 动 的 表 达 式 满 足△U =丝 = ， 必，° Cf 8 % C j 24 - 3 如图4 . 5 所示B u c k 变换器，输入电压为3 0 V±1 0 % ,输出电压为1 2 V,最大输出功率 1 2 0 W , 最小输出功率2 4 W , 开关频率为1 0 0 k H z ,不考虑器件寄生参数：( 1 ) 保证整个工作范围电感电流连续时所需的电感值及占空比变化范围 2 ) 若要求输出电压脉动值控制在5 0 m V 以下，计算所需滤波电容大小 3 ) 若不改变任何参数，将开关频率降低为5 0 k H z ,电路会发生什么变化？答：( 1 ) 整个工作范围内电感电流连续时的电感值为：--1 9 . 1 ( 〃" )整个工作范围内电感电流连续时占空比的变化范围为［ 0 . 3 6 4 , 0 . 4 4 4 ］ 。
2 ) 代入已知数据可得所需滤波电容量为-35- Cf > 1 0 0 ( 〃F )( 3 ) 由滤波电感电流脉动M f的表达式可知， 开关频率减低一半， 意味着电感的纹波增加一倍，故临界电流也增加一半，即 / °G m i n = 4 A 因此，当变换器的输出功率小于4 8 W 时电路将从连续进入断续模式4 -4 B u c k 变换器，其输入/ 输出参数为：C / i „= 1 0 0 V~ 2 0 0 V, U°= 5 0 V,额定输出电流为1 0 A ,开关频率< = 1 0 0 k H z ,不考虑损耗 1 ) 若选取最大纹波电流A / Lf m a xj e rmi . 为额定电流的2 0 % , 计算滤波电感的大小 2 ) 在上述电感值下，画出输出电流为0 . 7 5 A, 输入电压分别为10 0 V和 2 0 0 V时的电感电流波形，标出电流峰值 3 ) 保持某个输入电压不变，逐渐减小负载，电路从CCM变为DCM模式，输出电压会发生什么变化，为何？答：( 1 ) 由题意可知，输出电压固定，输入电压变化时，滤波电感的大小为4 = 18 7 . 5 ( 阳)( 2 ) 如图所示图解4 - 2( 3 ) 在电流断续区，当保持占空比4 不变时，随 着 的 减 小 ，输出电压” 会增大。
4 - 5 理 想 B oos t 变换器，输入电压为3 0 V±10 %, 输出电压为10 0 V, 最大输出功率为1 0 0 W , 最小输出功率为2 0 W , 工作频率为10 0 k H z 1) 推导电感电流连续时电压传输比WUi n 2 ) 计算保证整个工作范围电感电流连续所需的电感值36- ( 3 )当输出功率为20W时，请分别画出输入电压最大和最小时的电感电流波形,标出电流的最大值和最小值答：( 1 )电感电流连续时，由伏秒平衡原理可得电压传输比为a = 14 I",( 2 )整个工作范围内电感电流连续时所需的电感值为4 2182.4(〃”)( 3 )电感电流的波形如图解4.3所示4-6 Boost变换器， 输入电压&=100〜150V,输出电压U°=200V,额定输出电流为10A,开关频率人=100kH z,不考虑损耗 1 )若选取电感电流脉动AAbmax^rmit为额定输出时最大输入电流的2 0 % ,计算升压电感的大小 2 )计算最大临界连续电流答：( 1 )若选取电感电流脉动A/Lbmax_perm"为额定输出时最大输入电流的2 0 % ,则升压电感值为：4= 1 2 5 (〃 〃 )( 2 )最大临界电流为:-37- & =L 185(A)4-7 Boost变换器电路如图4.36所示，输入电压为27V±10% ,输出电压为4 5 V ,输出功率为750W ,效率为9 5 % ,考虑电感等效电阻R=0.05。
1 )求最大占空比；(2 )如要求输出60V是否可能？为什么？(3 )在占空比不变条件下，如果输出负载突然开路，会发生什么情况？L t , R D图 4.36答：( 1 ) 最大占空比为2 而= ( ) 496( 2 ) 输出电压可能达到60V 3 ) 若占空比不变，当输出负载突然开路时有UiMUo为零，即输出电压”> = 8 , 这将会损坏电路的元器件4 - 8 图 4.37所示为电感有中心抽头的Boost变换器，电感总匝数为N , 左边部分绕组匝数为M ，右 边 部 分 为 开 关 管 工作在开关状态，电路工作在电感电流连续模式，开关管的占空比为1 )推导■的表达式2 )画出M =M 时输入电流/in及二极管D和开关管Q的两端电压3 )若输入电压为4 0 V ,输出电压为120V, N\=Nz，计算开关管0 上所承受的最大电压，以及二极管与开关管的最大峰值电流比值38- 答：(1)\ Nl +N2)Dy+ i 4( 2 )波形如图解4-4所示⑶图解4Y开关管上所承受的最大电压为% =80(V)二极管的最大峰值电流与开关管的最大峰值电流比值满足-Q a = M /(N 1 + M)= l/24 - 9图4.38所示为电感有中心抽头的Buck变换器，电感总匝数为N ,左边部分绕组匝数为N i，右边部分为N2。
输入电压Us为400V, Nr.N2= 1 :1 ,输出48V/15A,开关频率100kHz,开关管的占空比为O y ,电路工作在电感电流连续模式39- (1 )推导〃的表达式2 )定量画出开关管和二极管Z)的电压波形( 标注出电压大小) .(3 )计算二极管D与开关管Q的最大峰值电流比值答：(1)U =. NR J° N ^ ~ Dy) + N2 ，n( 2 ) 波形如图解4-5所示图解4-5( 3 ) 二极管D的最大峰值电流与开关管的最大峰值电流比值满足^Dmax/^Qmax=^\/^2 "4-10如图4.19所示Buck-Boost变换器开关管0 工作在开关状态，占空比为Dy1 )分别推导电感电流连续和断续时" 的表达式2 )画出开关管和二极管的电压和电流波形，并标出电压大小( 二极管阴极为参考正) 答:-40- ( 1 )电感电流连续时:D、4=3电感电流断续时:TJ 2UQ= ^ - D；TS2LJ图解4-64-11解 释 “ 伏秒平衡”和 “ 安秒平衡”的物理意义？请结合两种方法推导分析Cuk变换器在电流连续时的输入输出电压关系答：“ 伏秒平衡”指的是稳态工作时，在一个开关周期内电感电压的伏秒面积为零，即电感电压平均值为零。
这意味着在一个开关周期内，电感电压的正伏秒面积等于其负伏秒面积 安秒平衡”指的是稳态工作时，电容电流的安秒面积在一个开关周期内为零，即-41 - 电容电流平均值为零这意味着在一个开关周期内，电容电流的正安秒面积等于其负安秒面积根据C u k变换器中电感心和L2的伏秒平衡原理有UinDyTs=(Ua- UinW - Dy)Ts( 心 -4)2工 = (1 -与)7 ；联立上式可得4= 24 i-Dy利用C u k变换器中电容Cb的安秒平衡原理有/2工 =4 ( 1 -卬4忽略C u k变换器的损耗，则其输入功率等于输出功率，即有t/i n/i n = UQIO联立上式可得& =4 =a4 a “ i- q4 -1 2试绘制S E P I C和Z e ta斩波电路的原理图， 并推导它们在电流连续时的输入输出电压关系答：( 1 ) S E P I C电路图如图( a )所示，Z e ta电路图如图( b )所示〃 口 〃 Cb j£' cb _L D图( a)图解( 2 )稳态工作时，在一个开关周期内,« Cb 〃 L 2 j1 3Tr i+"我 । 本D CfT /?uUyo图( b )?4 -7电 感Lx和U的电压伏秒面积分别是平衡-42- 的，根据两者的伏秒平衡原理可得U. = 24 i-q( 3 )稳态工作时，在一个开关周期内，电感心和心的电压伏秒面积分别是平衡的，根据两者的伏秒平衡原理可得a = 74 i-q第 5 章隔离型直流变换电路5 -1如 图5 .1 ( d )所示正激变换器。
1 )请简要说明变压器实现磁复位的原理; 并分析变压器磁化能量在一个开关周期内是如何变化的？( 2 )变压器绕组凶= 2M时，该电路允许的最大占空比是多少？若实际占空比大于该最大占空比会如何？答：( 1 )开关管 导通，输入电压加在变压器原边绕组 上，此时变压器磁芯被磁化，其磁通G线性增加；开关管关断后，变压器复位绕组M中出现感应电压，其极性“ * ”为 “ 负” ，使复位二极管2导通此时变压器磁芯去磁,磁通减小，并在f =7L n+ T r时刻减小到零，变压器完成磁复位 2 )当变压器绕组N p =2 M时，该电路允许工作的占空比为D* x _ N, + Np故最大占空比为2 /3若实际占空比大于2 /3则不能完成磁复位，变压器饱和会引起磁化电流增大烧毁开关管5 -2如 图5 .1 ( d )所示为正激变换器，N p： M： M =1 6: l: 1 6,设输出电容足够大，输出电压为一平直的直流电压，电感电流连续 1 )请推导电压传输比a / U n 2 )画出原边开关管0和二极管 的电压波形，并标注电压大小( 以U i n作为参-43- 考变量，二极管阴极为参考正) 答:⑴对输; 1 1 滤波电感利用伏秒平衡原理有⑵波形如图所示:5 -3 图 5 .2 3 所示为正激变换器( 其中％为稳压二极管) 。
1 ) 简要说明变压器实现磁复位的原理；指出变压器磁化能量在 关断期间是如何变化？( 2 ) 比较该电路与带磁复位绕组电路的各自优缺点 3 ) 假设变压器的匝比yVp：M =1 0 : l,输 入 电 压 t/i n= 2 0 0 V , 占空比2 = 0 . 3 , 负载/?L d =0 .6Q ,开关频率为5 0 k H z , 稳压管稳压值为20 0 V , 滤波电感L f= 40 u H,滤波电感工作在连续条件，定量画出正激电路中开关管和二极管r 、OR I、DR2的电压波形( 二极管阴极为参考正) ；( 4) 在( 3 ) 条件下，该电路允许工作的最大占空比是多少？- 44- 图 5 .23答:( 1 ) 开关管开通时，电源给副边传递能量，同时变压器正向磁化；开关管关断时.，由于变压器励磁电流不能突变，在原边绕组中出现感应电压，其极性是“ *” 为 “ 负” ， 故复位二极管 导通， 稳压二极管匕反向击穿， 稳压工作此时，原边绕组承受的电压等于稳压管的两端电压，从而帮助变压器完成复位，变压器中的磁场能量主要消耗在％中 2) 相比之下，采用稳压管的磁复位方法更加简单但在复位时，励磁电感中的能量全部消耗在％中，采用复位绕组的方法，励磁电感中的能量在复位时送回输入电源，有助于提高效率。
3 ) 波形如图解5 - 2所示：图解5 - 2( 4) 在 ( 3 ) 条件下电路允许工作的最大占空比为0 .5 5 - 4如图5 .5 ( d ) 所示双管正激变换器，变压器原副边匝比为K 1 ) 请在电路图中画出0 1 ( 0 2) 导通和截止时原边电流流通路径( 等效电路图) ；( 2) 推导电感电流连续时的电压传输比W U i n ；( 3 ) 若占空比等于0 .4, 请绘制出变压器铁芯中磁通的波形示意图，以及开关管-45- 勒 、二极管 c i 、 的电压波形( 二极管阴极为参考正) 并标出大小；( 4) 假设输入电压变化范围为1 0 0 V ±1 0 % , 输出电压为1 0 V , 设计变压器匝比K并计算占空比变化范围( 电流连续) 答：( 1 ) 如图解5 - 3 图解5 - 3( 2 ) 根据滤波电感的伏秒平衡原理可得电感电流连续时的电压传输比a / x „ 为4 K( 3 ) 波形如图解5 - 4所示：图解5 - 4( 4 ) 由 ( 2 ) 中结果可知，当输入电压最小时，占空比最大，且最大占空比不超过0 .5 o因此，考虑一定裕量，最大占空比 y m a x 取为0 .45 ( 最大占空比取值不唯-46- -),则有K = _u! £ =-.£ > = 4.0 5U。
,取整，K=4o2 mM=#-K = 0 .3 6 4U i n m a x综上，变压器匝比设计为4 ,占空比变化范围为0 .3 6 4旬.45 5 - 5 反激变换器，输入输出电压分别为U i n 、a 1 ) 请绘制反激变换器的电路图， 并推导连续工作方式( C C M ) 下 a / U m 关系式，给出具体过程 2) 当负载变化范围较小时反激变换器一般设计在CCM方式还是D CM方式？请阐述原因 3 ) 变换器开环条件下完全空载能否正常工作，为什么？答：( 1 ) 电路图如下所示：由磁通平衡原理可以得到5 二 Np D,4 N J-幺( 2 ) 选 择 DCM模式，负载变化范围小时断续模式调节困难的问题相对较小此外，DCM模式相比于CCM模式，同等功率下电感值小，变压器体积小、成本低；二极管无反向恢复问题 3 ) 反激式变换器不可以开环空载；因为每一次开关均有输入能量传递到副边，存储在电容中，会使得输出电压变得无穷大5 - 6 如图5 . 6 ( d ) 所示反激变换器47- ⑴ 推导DCM下 a / U m 关系式，并分析DCM与 CCM的异同 2 ) 已知输入电压为3 0 0 V , 变压器匝比N p ： M = 1 0 : l , 输出电压稳定在2 0 V , 请画出 CCM和 DCM两种工作方式下开关管。
和二极管D 的电压和电流波形示意图，并计算二极管和开关管承受的最大电压值 M Q电压要标出不同阶段的电压表达式)( 1 ) DCM下 U J U i n 关系式" in Np ^o. ^oGmax综上可知，DCM下 输 出 电 压 不 仅 与 U m 有关，还与输出电流/ 2 ) 波形如图解5 - 6 所示图解5 - 6当开关管截止时，其承受的最大电压为N4 = 4 +六4 = 5 0 0 ")当开关管导通时，二极管承受的最大电压为4 = 4 + * 4 , = 5 0 " )-48- 5 -7 如 图 5.10(c)所示的推挽变换器 1 ) 请推导推挽直直变换器的输入输出关系2 )若开关频率为100kHz,输入电压48V ,输出额定电流100A,匝比Np： M=4:l,该电路能输出的最高电压为多少？( 3 ) 该变压器工作在单向磁化还是双向磁化？是否存在直流偏磁现象，为什么？(4 )开关管的占空比能否大于0 .5 ,为什么？答：( 1 ) 对输出滤波电感，利用伏秒平衡原理可得( 2 ) 由于推挽变换器也相当于一个隔离型Buck变换器， 因此能够输出的最高电压心 皿 =12(V)( 3 ) 因为推挽变换器的变压器的励磁电流是既可以为正也可以为负，因此该变压器为双向磁化。
如果推挽变换器中晶体管的正负脉冲宽度或幅值稍有不对称,或初级线圈不对称，就会产生直流磁化分量即偏磁，从而导正磁芯饱和 4 ) 不可以，否则会造成原边短路5 - 8 图 5.10(c)所示推挽电路，假设变压器为理想变压器1) 5 、 2的作用是什么？(2 )若 ％, 为 240〜 300V直流电压，NP I= NP2, QI、 Q 、 A 、 2的导通压降均为IV,不考虑漏感尖峰，计算 的最大耐压UQmx3 )续流二极管FW什么时候导通？是否必须，为什么？(4 )若没有DFW，续流过程是如何完成的？请画出等效电路，并分析工作过程答：( 1 ) 在开关管关断瞬间，变压器会瞬间产生高压，5 、 2是作用是避免开关管承受反压而击穿； 若副边是感性负教时， 2也作为返回能量的续流二极管，即为感性电流提供通路2) Qi的最大耐压为“ Qmax =242-99”)( 3 ) 当 a、Q 截止时，续流二极管FW导通实际上该续流二极管是可以去掉-49- 的，此时副边两只整流二极管会同时导通 4 )续流通过副边两个二极管RI、Z)R2完成，其等效电路如图解5-7所示当晶体 管0、Q均截止时，变压器各绕组瞬时出现感应电压，其极性为“ * ”端为 “ 负， ， ，使整流二极管£)R2导通，与此同时，滤波电感电流经二极管。
R1续流5 -9如图5.10(c)所示的推挽电路，去掉续流二极管输入电压■, 为400V±10% ,输出电压U°=24V,最大输出功率240W ,最小输出功率96W ,开关频率为50kHz, Np：M 为 10: 1»(1 )计算保证整个工作范围内电感电流连续所需的电感值及占空比变化范围；(2 )请画出输出功率为240W、输入电压最大时，电感电流九波形、整流管R I及OR2的电流波形和端电压波形、 变压器原边电压和电流波形、开关管①的端电压波形，并标注出各时间段内各变量的幅值 注：忽略励磁电流)( 3 )计算开关管的平均电流和峰值电流答：( 1 )整个范围内电感电流连续时所需的电感值为L > 13.65x1 O-6 (H)⑵电感电流连续时的占空比变化范围为0.545〜0.667输入电压最大时，电感电流的脉动量* , ^^0( । ^^ymin)o / .、M f = ——7^-=—(= 8 (A)故电感电流的峰值为1 4 A ,最小值为6A波形如图5-8所示-50- ( 3 ) 晶体管承受的电流等于原边电流，故平均电流：/Q1 = /Q 2 = 0 . 2 7 3 ( A )峰值电流：/Q IE = 42 n m = 1 4 ⑹5 - 1 0 图 5 . 1 4 ( d ) 所示半桥变换器，副边采用双半波整流电路( 略去。
FW)输入电压Um为 5 0 0 V ±1 0 % , Uc d i = Uc d 2 = Ui n / 2 , 输 出 电 压 为 2 0 V , 最大输出功率6 0 0 W , 最小输出功率1 0 0 W , 工作频率为1 0 0 k H z , N p ： M i ： M 2 为( 1 ) 推导电感电流连续时的电压传输比( 2 ) 计算保证整个工作范围内电感电流连续所需的电感值及占空比变化范围；( 3 ) 在理想条件下， 电感无穷大， 画出最高输入电压时. ， 电感电流九「 , 励磁电流褊，整流管Au 、DR2、开关管勒的电流波形和变压器原边绕组的电流和端电压波形，并标出幅值大小；-51 - (4 )计算开关管以及整流管的电压电流应力( 忽略电感电流纹波) 答：( 1 ) 电感电流连续时电压传输比Uo/Uin为4 = 丛 区( 2 ) 整个范围内电感电流连续时所需的电感值为心 2 2.73x10-6 (H)电感电流连续时的占空比变化范围为0.727〜0.889 3 ) 波形如下图所示：( 4 ) 晶体管承受的电压、电流应力-52- U Qj ~ " in max= 5 5 0 ( V ) ( / = 1 , 2 , 3 , 4 )"/m axomax= 3 ( A )整流管承受的电压、电流应力UDRI=UDR2= ^ UinmM=55(V),D R 1 max 1 ^DR2miix— iomax= 30(A)5 - 1 1如图5 . 1 8 ( e )所示全桥变换电路，a、Q同时开关，。
2、Q同时开关，开关频率为5 0 k H z o( 1 )请问变压器磁芯单向磁化还是双向磁化？( 2 )若输入电压为4 0 0 V ± 1 0 % ,变压器匝比N p ： M = 1 0 ： 1 ，则能够输出的最高电压为多少？( 3 )若输出电压为24V,峰值功率I k W , L r l O g H ,输入电压与匝比同( 2 ) ,试求开关管以及整流管的电压电流应力 4 )开关管、整流二极管应该选用哪种类型？答：( 1 )变压器磁芯是双向磁化2)由于全桥变换器也相当于一个隔离型B u c k变换器， 因此能够输出的最高电压为Smax = 4 4 ")( 3 )全桥变换器四只开关管的电压应力为% = U e = 4 4 0 ( V) 0 = 123,4)开关管的电流应力为^Q im ax =4.712 (A)整流二极管的电压应力为UD R I= UDR2 =88(V)整流二极管的电流应力为-53- ,DRlmax = ^DR2max = ^Lfmax —47.12 (A)( 4 ) 开关管选择M OSFET,输出整流二极管选择肖特基二极管第 6 章逆变电路6-1有源逆变和无源逆变的定义是什么？两者有何不同？答：有源逆变，是指将直流电变换成交流电并馈入交流电网的逆变方式；无源逆变，是指将直流电变换成稳定可控交流电压，供独立负载使用。
两者的主要不同是无源逆变需要控制输出交流电压，而有源逆变则只需要控制并入电网的电流6 -2 什么是电压型、 电流型逆变器， 两者各有什么特点？对电力电子器件或无源器件的要求有什么不同答：电压型逆变器的直流侧输入为电压源；而电流型逆变器的直流侧输入为电流源电压型逆变器的输入端通常并联大电容，且在实际工作中由于需要设置死区，功率器件需要有反并联二极管或体二极管；电流源型逆变器的输入端通常串联大电感由于输入电流方向保持不变，为了使开关器件具有反向阻断能力，通常在每个功率器件上正向串联一个二极管6 -3 电压型和电流型逆变器的二极管各起什么作用？答：电压型逆变器的二极管主要起到死区时间内的续流作用；电流型逆变器的二极管主要起到承受反压，使开关器件具有反向阻断能力6 -4 在直流侧电压和额定功率相等的条件下，单相电压型半桥逆变器与单相电压型全桥逆变器相比有何优缺点？答：半桥逆变器的输出电压基波分量有效值为:2 ®兀= 0.45(4半桥逆变器的输出电压基波分量有效值为:2口71=0.叫-54- 电压型单相全桥逆变器使用器件相对较多，但输出方波电压幅值为输入直流电压,其基波电压有效值为0.9UM在输入直流电压和负载不变的条件下， 单相全桥逆变器的输出电压和输出电流幅值相比单相半桥逆变器均提高了一倍。
6 - 5请阐述PWM的冲量等效原理设正弦波( 5 0 H z )半周期的脉冲数是5,脉冲幅值是相应正弦波幅值的两倍，试按冲量等效原理计算各个脉冲的宽度？答：( 1 ) PWM冲量等效基本原理进行描述，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在同一惯性环节上时，惯性环节的输出基本相同 2 )将各个脉冲的宽度用& ( i = l , 2 , 3 , 4 , 5 )表示，则根据面积等效原理可得：4 = O . O 9 5 5 ( r a d ) = O . 3 O 4 ( m s )名= 0 . 2 5 ( r a d ) = 0 . 7 9 5 8 ( m s )4 =0 . 3 0 9 ( r a d ) = O . 9 8 3 6 ( m s )4 =0 . 7 9 5 8 ( r a d ) = 0 . 7 9 5 8 ( m s )= 0 . 0 9 5 ( r a d ) = 0 . 3 0 4 ( m s )6 - 6以 采 用1 8 0 方波控制的单相电压型全桥逆变器为例，试说明阻性负载和感性负载输出电压和电流的关系？答：阻性负载，输出电流，・ 的波形相同，电流都从Q i和Q 2中流过，反并联二极管 。
和 2中并不会流过电流感性负载时，输出电流i 的相位滞后于输出电压" ，两者波形也不同，交流侧输出电压仍为矩形波，但输出电流的波形和相位与负载阻抗有关I或Q 2中流过电流时, ，4 ,与 “ 方向相同，直流输入侧向负载提供能量；当A或 & 中流过电流时，i 与“ 方向相反，负载电感中存储的能量向直流输入侧回馈6 - 7如图6. 1所示的电压型单相半桥逆变器，采 用1 8 0 的方波控制方式 1 )请绘制负载电压波形，以及纯阻性、纯感性以及阻感负载下的电流波形；( 2 )写出逆变器输出电压基波分量的幅值、 有效值以及第n次谐波电压幅值表示式答：( 1 )电压和电流波形如图解6- 1所示55- 图解6- 1( 2 )输出电压的基波分量幅值和有效值分别为:S i m 二4n力= 0 4 5“”n输出电压的n次谐波电压幅值为：U =—U - =- U Ionm in olmm t n6- 8 如 图 6. 1 2 所示三相桥式电压型逆变电路，采 用 1 8 0 导电方式，t7i n= 1 0 0 V»( 1 )请分析该逆变电路的换流顺序以及每区间导通的开关管编号；( 2 )绘制负载两端的相电压和线电压波形，并标出各台阶的幅值大小；( 3 )计算输出相电压的基波幅值和有效值，输出线电压的基波幅值和有效值，输出线电压中5 次谐波的有效值。
答：( 1 )开关管 6依次导通，驱动信号间隔为60 ，在任何时刻都有三只开关管-56- 同时导通，在6个时间区间各个开关管的导通状态与顺序分别为（ 2、&） - >（ 4 ） —（ 3、0 4 ' < 2 - 5） —> （ 04'6） —» （ 1 ）一 （ 6、Q l、Q ? ） 2）波形如图解6 - 2所示（ 3）相电压基波分量幅值为：几 =2" -0.6 4，„n相电压基波分量有效值为U1 = U.m » 0 . 4 5t/i nn线电压基波分量幅值为：1』 叫n线电压基波分量有效值为：% = - U .m =0.7 8471线电压第5次谐波的幅值为：〃 _ 2®-57 - 图解6-26 - 9 请阐述SPWM调制的基本原理 SPWM波形的生成方法有哪两种？请指出它们各自的特点及应用场合.答：（ 1） 正弦脉宽调制是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（ 形-58- 状和幅值） 在逆变器中，由于输入电压是直流电压，因此所产生控制的脉冲通常也是等幅的， 但由于逆变器输出电压是交流变化的， 故脉冲的宽度通常并不固定，而是按特定规律周期变化（ 如正弦变化）。
SPWM调制是基于冲量等效原理实现的将正弦半波分成n 等份，就可以把正弦半波看成是由〃个彼此相连的脉冲序列所组成的波形 这些脉冲宽度相等， 都等于To/〃 ， 但是脉冲的幅值不等， 且脉冲顶部不是水平直线，这些脉冲的幅值根据其所处的相位（ 时间轴上的位置）按正弦规律变化如果把上述脉冲序列用相同数量的等幅而不等宽的方波脉冲代替，使方波脉冲的中点和相应正弦脉冲波的中点重合，且使两者相时于时间轴面积相等，就得到PW M 脉冲序列，这 些 PW M 脉冲幅值相等，而宽度按照正弦规律变化根据冲量等效基本原理，PWM波和正弦半波对惯性负载是等效的 2） SPWM波形的生成方法主要有两种，一种是载波调制法，另一种是直接计算法 3）载波调制法的优点是实现方式简单，即使是需要输出的波形比较复杂，也仅需要根据调制波与载波的相交点在三角形中的高度求出相应的宽度即可直接计算法也称为特定谐波消除法，通过计算特定开关角度下正弦波输出电压的各次谐波幅值，利用计算机仿真，以特定低次谐波为零或输出电压总谐波含量最小为优化目标，搜索求解得到一组最优开关控制信号，在较低的开关频率下实现输出波形的最优化，具有直流利用率高、系统效率高等优点。
在大功率变换应用场合，开关频率不太高，为了尽量减小低次谐波含量，可采用这种特定谐波消除方法 但是，当需要输出正弦波的频率、 幅值或相位动态变化时， 或需要输出的波形不能事先确定，只能实时计算得到时，就需要实时计算每个控制周期PW M 波形的宽度和动作时刻，这时直接计算法相当繁琐耗时，很难实现实时计算6-10请阐述单极性SPWM调制、双极性SPWM调制和单极性倍频SPWM调制的基本原理，绘制示意图并分析它们有何不同？答：基本原理见教材示意图如下：（ a） 单极性SPWM调制-59- (b)(c)双极性SPWM调制单极性倍频SPWM调制-60- 它们之间的异同如下表:双极性单极性单极性倍频高频工作开关管数量424输出脉冲频率开关频率开关频率两倍开关频率脉冲电压变化量2UmUinUm载波极性双极性单极性双极性6-11基于SPWM控制的逆变器输出波形中的谐波与哪些因素有关？答：与 SPWM的调制策略，开关频率、调制波的正弦度等有关第 7 章开关管的缓冲电路7 - 1 请分析考虑开关管寄生参数（ 即开关不是理想器件）时，Buck变换器开关模态及等效电路，并画出开关管和二极管的电压电流波形答 : 如 图 7-1和 7-2所示。
61 - (a) to时刻之前(d)%, a](f) [%，切图 7-17 -2 缓冲电路的作用是什么？直流变换器的基本缓冲电路有哪些？它们之间有什么区别答：(1)缓冲电路的作用是改变开关管的电压或电流变化轨迹，减小开关管开通或关断时的交叠区， 从而转移或者减小开关损耗， 降低电压和电力变化率， 减小EML(2) RCD缓冲电路：减小开关管的关断损耗；RLD缓冲电路：减小开关管的开通损耗62- 7 - 3请在图7 . 1 7所示的B u c k电路中加上RCD缓冲电路，并请简要说明其工作原理答：（ 1 ）如图解7 -3或7 4图 7 . 1 7图解7 -3（ 2 ）以图解7 -3为例，其工作原理详见7 2 1 . 2节7 - 4请思考反激变换器如何加入RCD缓冲电路？并请简要分析其工作原理答：（ 1 ）如图解7 -5图解7 -5（ 2 ）工作原理如下：a ）当开关管开通时，原边绕组修,承受输入输入电压，漏感存储能量RCD缓冲电路二极管△承受反压截止，电容C s上的能量通过电阻&放电关断期间，-63- 电容Cs电压下降b ) 当开关管关断时，若无RCD缓冲电路，由于存在漏感，关断时有较大电压尖峰。
当加入RCD缓冲电路后，当开关电压上升到超过输入电压时，二极管A 正偏导通，此时漏感能量同时给结电容和Cs充电由于Cs远大于结电容，故电压尖峰上升率低，尖峰小当漏感能量吸收完成后，G 将开始下降若 RC取值合理，在 再次开通前，电容Cs的电压应下降到副边折射回原边的电压附近，即(Np/M)*U7 - 5 请分析RCD缓冲电路中缓冲电容Cs和缓冲电阻Rs的设计要求答：缓冲电容应折衷选取，一般按照满载时心上升到”, 的时间为开关管电流下降时间的3〜5 倍来选取，即：心/4〃 = ( 3~5居" 为开关管关断时电流的下降时间C=(3~5)rotf/Uin为了保证缓冲电容电压下降到零，应该满足：( 3 ~ 5 RR C < Q由此可得：(3~5)CS7 - 6 请简要叙述RLD缓冲电路中缓冲电感心和缓冲电阻凡的选取要求答：为了减小缓冲电阻的损耗，缓冲电感量不宜太大，一般按照满载时L 上升到滤波电感电流的时间为开关管开通时电压下降时间的3〜5 倍来选取为了保证缓冲电感的缓冲作用，应该在开关管关断期间使其电流下降到零，这就决定了缓冲电阻的最小值缓冲电阻应该尽量按照最小值选取，因为缓冲电阻越小，开关管关断时的电压尖峰就越小。
7 - 7 请在图7.17所示的Buck电路中加上无损关断缓冲电路，并分析其工作原理64- 工作原理：详见教材7 3 1 .2 节7 - 8 请在图7.17所示的Buck电路中加上无损开通缓冲电路，并分析其工作原理图解7-8工作原理：详见教材7 .3 2 2 节第8章直流变换电路的软开关技术8 - 1 请画出零电压开关和零电流开关的电压和电流波形图，并分析两者的特点答：如图解8-1所示65- 图解8 -1 软开关时开关管的电压和电流波形零电流开关特点： 在开关管开通时， 限制其电流的上升率， 使其缓慢上升， 减小了电流和电压交叠区内电流的大小；而在开关管关断前，使其电流减小到零，从而完全消除关断损耗；零电压开关特点： 在开关管开通前， 使其电压下降到零， 从而完全消除关断损耗；而在开关管开通时，限制其电压的上升率，使其缓慢上升，减小了电流和电压交叠区内电压的大小；因此，零电流开关主要控制流过开关管的电压变化情况，而零电压开关主要控制开关管两端电压的变化情况8 - 2 单管直流变换器的软开关方法有哪几种，各有什么特点答：单管直流变换器的软开关有以下几种：1）准谐振变换器：这类变换器的特点是，在一个开关周期中， 谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。
QRCs分为ZCS和 ZVS两类这类变换器需要采用频率调制方法2） 零开关脉宽调制变换器：它们是在QRCs的基础上，加入一个辅助开关管， 将谐振元件的谐振过程分为两个阶段，一个用来实现零电压开通（ 或零电流开通） ,另一个实现零电压关断（ 或零电流关断） 加入辅助开关管后，变换器可以实现PWM控制与 QRCs不同的是，谐振元件的谐振工作时间应该比开关周期短的多，一般为开关周期的1/10〜 1/5零开关PWM变换器也可分为ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器3）零 转 换 PW M 变换器：与零开关PW M 变换器一样，这类变换器也是工作在-66- PWM方式不同的是，其辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作很短一段时间， 以实现其软开关， 其它时间则停止工作, 这样辅助谐振电路的损耗很小零 转 换 (Zero-Transition) PWM 变 换 器 可 分 为 零 电 压 转 换 (Zero-Voltage-Transition, ZVT) PWM 变换器和零电流转换(Zero-Current-Transition, ZCT)PWM变换器，不过ZCTPWM变换器应用较少8 - 3 请比较准谐振变换器与零电压转换(ZVT) PWM变换器的优缺点。
答：1 ) 准谐振变换器中，谐振电感和谐振电容一直参与能量传递，开关管和谐振元件的电压应力和电流应力较大而且，准谐振变换器需要采用频率调制方法，由于开关频率是变化的，其变压器、输入滤波器和输出滤波器不易优化设计2 )零电压( ZVT)变换器的特点有： ① 采 用 PWM控制方式， 实现恒定频率控制；②辅助电路只是在开关管开关时工作，其他时候不工作，辅助电路损耗小；③ 辅 助电路不是串联在主功率回路中，而是与主功率回路并联，减小了辅助电路的损耗；④辅助电路的工作，不会增加主开关管的电压和电流应力8 - 4 如 图 8.31所示的Buck电路，输出电感却足够大，一个开关周期内电流基本保持不变 1 ) 若要将其变为全波模式的零电流开关准谐振变换器(ZCS Q R C ),需要增加哪些元件？请在图中补充 2 ) 若输入电压为Uin，请画出该变换器谐振电感电流、二极管 电流、谐振电容电压、开关管两端电压的波形，并标出幅值大小 3 ) 结合主要波形，分析该电路的基本工作原理4 )若要对输出电压进行控制，该电路通常采用何种调制方式，为什么？答：( 1 ) 需要增加谐振电感、电容和一个反并联二极管完整电路图如图解8-2所示。
67- 图解8-2 Buck ZCS-QRC电路图( 3 ) 略，详见教材8 2 2 ；( 4 ) 采用FPM方法，即通过调节变换器的开关频率来调节输出电压8 - 5 如图8.32所示的零电压开关准谐振Buck电路 输入电压为40V,输出电压为20V,负载电流变化范围为5〜 15A ,若谐振电容Cr取为20nF试计算：(1 )保证最小负载电流条件下实现Z V S ,谐振电感心的取值2 )在上述条件下，计算开关管承受的最大电压.图 8.32-68- 答:( 1 ) 零电压开关准谐振电路实现软开关的条件：( u YL > Cr ―52- = 1 . 2 8 阳( 2 ) 通过求解“ a的最大值便可得到， 心的谐振峰值表达式，这一谐振峰值就是开关管0承受的峰值电压该表达式在负载电流最大时有最大值，即max -x+[ 7i n= 1 6 0 ( V )8 - 6 如图8 . 3 3 所示的B o o s t 电路，假设升压电感几足够大，一个开关周期内电流基本保持不变，输出电容Cr 也足够大，一个开关周期内输出电压基本不变 1 ) 若要将其变为半波模式零电压开关准谐振变换器，需增加哪些元件？请在图中补充。
2 ) 若输入电压为U i n ，电流为九， 请画出该变换器谐振电感电流、 谐振电容电压、开关管电流波形，并标出幅值大小 3 ) 结合主要波形，分析该电路的基本工作原理 4 ) 与全波模式相比，半波模式有什么优势？图 8 . 3 3答：( 1 ) 需要增加谐振电感、电容和一个反并联二极管完整电路图如图解8 - 4 所示«c-rD图解8 - 4 Bo o st Z V S QRC 电路图( 2 ) 如图解8 - 5 所示-69- ( 3 ) 略，详见教材8.2.3；( 4 ) ① 半波模式中二极管 与开关管0 反并联，不存在额外的通态损耗；② 在 商用功率开关器件中，一般都集成有反并二极管不用再外接二极管8 - 7 准谐振变换器为什么只适宜于变频方式下工作而不是恒频PWM方式？ 有什么不足？答：以 Buck ZCS QRC为例，它的电压传输比卬”,可见，输出电压与开关频率成正比关系，而与负载关系较小为了获得所要求的输出电压，Buck ZCS Q R C 需要采用脉冲频率调制方法，即通过调节变换器的开关频率来调节输出电压采用频率调制方法， 开关频率是变化的， 变换器的变压器、 输入滤波器和输出滤波器难以优化设计。
8 - 8 请绘制Buck、Boost、正激、反激零电压转换(Z V T )变换器的电路图答：它们的电路图如下：-70- +( a ) 正激变换器( b ) 反激变换器图 8-6 ZVT PW M变换器8 -9 如图&17所示的BoostZVTPWM变换器假设升压电感心 , 足够大，一个开关周期内电流基本保持不变，输出电容Cr也足够大，开关周期内输出电压基本不变1 )分析ZVT PWM变换器的基本思路2 )若输出电压为“，输入电流为人，请绘制辅助电感电流〃、 开关管 续流二极管D的电流波形和谐振电容电压G 、续流二极管D的端电压波形，并标出幅值大小答：(1 ) 略，详见教材；( 2 ) 如图8-7所示-71 - 图 8-7 Boost ZVT PW M 变换器的主要波形图8-10如图8.20所示的全桥LLC谐振变换器1 )该变换器的传输比与哪些因素有关？请叙述它的输出电压调节机理2 )当人=1时( 即入」 ) ，变换器的电压传输比是否与负载有关，为什么？(3 )如 图 8.28所示的电压传输比曲线，以纯阻性曲线和八=1.0直线为界，分为三个区域请分别指出可实现开关管的ZVS、 ZCS的区域。
设计时选择哪个区域为宜，为什么？答：( 1 ) 传输比与品质因数以及开关频率人有关输出电压的调节，主要通过调节开关频率. 人来实现 2 ) 当工尸1 , 即力=4时，变换器的输入输出电压传输比恒为1，与负载无关这是由于此时乙和Cr支路的阻抗为零，输入电压相当于直接加在变压器原边，通过变压器传输到负载，与变换器各部分参数无关 3 ) 区 域 1：在加= 1 直线右侧，此时电压传输比刊＜1 ,处于降压模式，变换器呈感性，开关管可以实现Z V S ,但是输出整流二极管是硬关断的区域2：在加= 1 的左侧且在纯阻性曲线右侧，此时电压传输比心＞1,处于升压模式，变换器呈感性，开关管可以实现Z V S ,输出整流二极管自然关断，实现了 ZCS区域3：在加= 1 的左侧且在纯阻性曲线左侧，此时变换器呈容性，开关管可以实现 ZCS状态72- 在参数设计时，尽量让变换器工作在ZVS状态，即图中区域1和区域2但在区域1中，副边整流二极管为硬关断，存在反向恢复损耗因此，建议选择区域2为工作区域，此时变换器处于升压模式8 - 1 1如图8 . 2 9 ( a)所示为移相全桥变换器假设△足够大，输 出 可 等 效 为 恒 流 源 变压器变比为K。
1 )请阐述移相控制的基本原理 2 )为什么超前桥臂比滞后桥臂更容易实现Z V S ?( 3 )如果没有〃，电路能否正常工作？此时哪些开关管仍可实现软开关？( 4 )何为占空比丢失( O l °ss) ?分析Do ss产生的原因心的大小与哪些参数有关？答：( 1 ) 略，详见教材8 . 5 . 1 2 ) 这是因为超前桥臂开关过程中， 输出滤波电感右折算到原边与谐振电感占串联，此时用来实现ZVS的能量是乙和沙的能量之和一般来说，以很大，在超前桥臂开关过程中，其电流近似不变，类似于一个恒流源，这个能量很容易满足ZVS条件而对于滞后桥臂，输出滤波电感以不参与其ZVS的实现，而且谐振电感比折算到原边的输出滤波电感要小得多，故不易实现Z V S 3 ) 电路是能够正常工作的此时只有超前桥臂的开关管可以实现Z V S 4 ) 副边占空比丢失，就是说副边的占空比O scc小于原边的占空比p ,即：£» scc< DP,其差值就是副边占空比丢失副边占空比丢失的原因: 在原边电流而从正向( 或负向) 变化到负向( 或正向)负载电流的时间段内， 虽然原边桥臂间电压" A B有正电压方波( 或负电压方波) ，但原边不足以提供负载电流，副边整流桥的所有二极管导通，输出滤波电感电流处于续流状态，输出整流后的电压比e ct为零。
这样副边就丢失了一部分电压方波Do ss的大小与，、负 载 电 流 和 有 关U i n 1 )乙越大，Do ss越大；( 2 )负载电流/ o越 大 ,Z Jl o ss越 大 ;( 3 ) U i n越低，Z ) l o s s越大73- 第 9 章电力电子电路控制9 -1 请阐述开关电源控制电路的构成及每个部分的基本功能答：开关电源的控制电路通常由采样电路、误差放大器及补偿网络、脉冲宽调制器和驱动电路等构成采样电路： 对输出高电压或大电流进行采样， 转换成低压信号供误差放大器使用；误差放大器及补偿网络：对输出进行闭环调节，使其跟踪参考给定；脉冲宽调制器：根据误差放大器的输出，产生占空比可调的脉冲序列；驱动电路：对控制信号的功率进行放大，以满足功率管的驱动要求9-2什么是PWM、PFM ?各有什么特点答：脉冲宽度调节(Pulse Width M odulation),简称脉宽调制(P W M ),是固定开关频率( 也即固定开关周期) 的，通过调整一个开关周期内功率器件的导通时间( 脉冲宽度) 来调节占空比脉冲频率调制( Pulse Frequency Modulation)技术，简称脉频调制(PFM)：是一种变频控制方式，即保持开关管导通时间或者关断时间不变，或者开关管导通时间和关断时间均改变，通过改变开关频率( 也即开关周期) 来调节输出电压。
两者的特点：1 ) 对于外围电路一样的PFM 和 PW M ,两者的峰值效率相当，但在峰值效率以前，PFM的效率高于PWM的效率；2) PW M 由于误差放大器的影响，回路增益及响应速度受到限制，而 PFM 具有较快的响应速度3 ) 峰值效率以前， PFM的频率会低于PWM的频率， 造成输出纹波偏大， 稳压进度偏低9 -3 集 成 PWM控制器由哪些部分组成，各有什么功能？答：集成PWM控制器主要由PWM信号产生电路、 功率电路的故障保护、软起动、 干扰抑制、死区时间控制等74- 它们的功能详见教材7.3.19 -4 请简述PWM控制器中死区产生的作用以及实现方法答：由于晶体管的存储时间，推挽电路的上下两管或桥式电路同一桥臂的两管会产生同时导通， 而造成电源瞬时短路， 损坏功率管 为此，需设置死区时间以限制控制脉冲的宽度，即在此区间内，两列脉冲都为低电平不同功率电路及器件对死区时间有不同要求，故死区时间应能调节9 -5 电力电子变换器为什么需要采用闭环控制？请简述其调节原理答：电力电子变换器采用闭环控制的目的是使系统的输出量（ 如电压或电流）尽量接近于期望值， 避免当变换器的工作条件（ 如输入电压或输出负载） 发生变化时， 变换器的输出量发生变化。
闭环控制是通过将输出量的测量值与给定值相比较，产生一个误差信号，送入误差放大器后输出一个调制信号，并通过PW M 调节器的调节占空比，最终是输出量维持不变9-6 SG3525芯片的输出端A 或 B 允许的最大占空比是多少？若要求输出最大占空比接 近 1 的驱动信号，需要如何处理？答：1） 输出端A 或 B 允许的最大占空比是0.52） 若要求输出最大占空比接近1 的驱动信号，应将输出端A 和 B 信号相或9 - 7 简述电压控制模式和电流控制模式的优缺点？答：电压控制模式只有一个电压控制环路，是单闭环负反馈控制，设计和分析相对比较简单，且由于锯齿波的幅值比较大，抗干扰能力比较强但是当输入电压或输出电流变化后，只能在输出电压改变时才能检测得到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢此外，由于电压型控制对输出电流没有限制，因而需要额外的电路来限制输出电流75- 而电流控制模式同时引入电压和电流两个状态变量作为反馈控制变量，提高了开关变换器的性能，比电压型控制具有更快的负载瞬态响应速度同时，电流内环可以用来限制输出电流， 无需额外增加限流电路但是， 两个闭环控制增加了调试难度， 在某些情况下还会出现次谐波振荡等问题。
9 -8 图 9.9(a)为采用电压控制模式的Buck电路，输出电压5 V ,输入电压为18~36V,电路初始工作于稳定状态1 )为了使输出电压稳定在5V不变，误差放大器一般采用什么调节器，为什么？(2 )若电路初始输入电压为2 4V ,某个时刻突然增加为30V请问此时电路会发生什么变化？ 控制电路是如何工作，才能使得输出电压稳定在5V不变答：(1) 一般采用比例积分调节器比例系数可以是调节器具有较快的响应速度,而积分系数则可以消除稳态误差，使得输出电压稳定在5V不变2) 若输入电压从24V 突然增加到3 0 V ,电路的输出电压会突然增大，超过5V但经过一定时间后，会恢复到5V控制电路的工作过程如下： 在突变瞬间， 输出电压会超过5 V ,此时误差放大器的输出量会变小，占空比减小，从而使得输出电压降低，并最终稳定于 5V«9 -9 请分析峰值电流控制、平均电流控制的基本原理及特点答：峰值电流控制： 通过反馈电流的峰值来控制开关管的关断时间， 即占空比的大小，从而调节输出电压；平均电流控制：通过电流内环误差放大器的输出与锯齿波的比较来控制占空比的大小，从而调节输出电压两者的电压外环是一样的， 不同指出在于电流内环的实现。
比较而言， 峰值电流控制动态响应更快， 参数的设计相对较简单， 但是存在次斜坡震荡问题， 需要斜坡补偿而平均电流控制具有高增益的电流积分器，电流平均值能够高度精确地跟踪设定值；噪声抑制能力优越；无须斜坡补偿，但为了电路工作稳定，在开关频率附近必须限定环路增益；适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制；易于实现均流缺点是电流积分器在开关频率处的增益有最大限制； 双闭环放大器带宽、 增益等参数设计复杂76- 第10章驱动电路10-1请画出MOSFET的典型驱动电路，并分析其驱动电压和电流波形答:MOSFET的典型驱动电路如图解10-1 ( a ) 所示，其驱动电压电流波形如图解10-1 ( b ) 所示b )主要波形图 解 10-1 MOSFET的驱动电路图及其主要波形10-2请分析图10.1 (a)中所示的电阻Rs和扁的作用答：Rg是栅极电阻，用来限制栅极初始充电电流和放电电流，也起到阻尼栅极电压电振荡的作用；因为MOSFET的输入电容是低泄漏电容，栅极不允许开路或悬浮.在栅源极之间并接扁， 起到电荷泄放作用， 防止因静电感应使栅极电压的 上升到高于开启电压而造成误导通，甚至损坏器件。
10-3 MOSFET的驱动电压能否为负？有什么优缺点答：-77- MOSFET的驱动电压可以有负压加入负压后， 可以防止开关管误导通， 提高可靠性 但是产生负压需要额外的供电电源或者负压产生电路，增加了驱动电路的难度同时，也会在一定程度上增加驱动损耗1(M请绘制基于图腾柱的共地驱动电路 若想加快MOSFET的关断速度, 有哪些方法?答：基于图腾柱的共地驱动电路如图解10-2所示图 解 10-2基本的共地驱动电路加速关断的方法有两种：① 如图解10-3(a)所示，在 & 上 并 联 一 个 电 阻 & _ 仔和二极管在放电时，两个电阻并联，有利于提高放电速度②加入二极管Don和 PNP型晶体管 任, 如图解10-3(a)所示当 "pulse为低电平时 . ，0r2导通，Ciss上的电压使Qoir的基射极正偏，因而Qotr导通，Ciss上的电荷直接通过 件 释放到零，其放电速度更快a )在 凡 上反并一个二极管Dn(r (b )加入二极管Do n和 PNP型晶体管0 "图 解 10-3加速关断的图腾柱驱动电路-78- 10-5何为共地驱动、浮地驱动？请分别举例几种常见的电路拓扑答：共地驱动是指控制电路与MOSFET的源极共地的，常见的拓扑有Boost电路、反激电路、桥式电路的桥臂下管等。
浮地驱动是指开关管的地与控制电路不是共地的，即开关管是浮地的，常见的拓扑 有Buck、Buck-Boost、Zeta、桥式电路的桥臂上管等10-6请解释图10.6中的电容CB和二极管QB的作用答：CB为图腾柱的供电电容，DB为CB提供充电通路10-7请结合图10.9(a),分析适用于单管变换器的隔离型驱动电路的工作原理答：该驱动电路主要有两个工作模态，其等效电路如图解10-4所示图 解10-4单管用隔离型驱动电路不同工作模态的等效电路当驱动信号“ puke为高电平时，QT I导通，如图解104(a)所示此时变压器原边电压UTp等 于Ucc- Uci,那么稳态时加在开关管栅源极电压"gs为Ucc- Uci + UC2当驱动信号"puke为低电平时，012导通，如图解104(b)所示此时变压器原边电-79- 压"Tp等于-U C I,那么二极管" 导通由此，电容C2的电压次2等 于U C I,同时开关管输入电容放电到零，使〃gs等于零10-8与MOSFET相比，IG B T的驱动电路有哪些不同之处？答：不同之处主要有以下几点：1）供电电压为正负电压即当IG BT关断时，其栅射极电压为负电压，防止误导通；2 ）驱动信号采用光耦隔离后送入驱动电路，驱动逻辑是反的。
3）增加了器件的过流保护电路第 11章电力电子电路中的磁性元件11-1请简述自感、互感和漏感的基本定义答：① 自 感 ：如果磁通全部匝链线圈匝数N ,线圈中电流的变化会表现出一个电感系数L ,即自感 甲 N①L = — = -----② 互 感 ：当一个线圈M中电流变化，它所产生的变化的磁通会在另一个线圈N2中产生感应电动势的现象③ 漏 感 ：当一个线圈M中电流变化，它所产生的部分变化磁通没有在另一个线圈加中匝链，称为漏磁通漏磁通表征的电感即为漏感11-2请画出两线圈变压器的等效电路模型（ 忽略寄生电阻、电容） 答:（ a）考虑励磁电感图 解11-1实际变压器等效电路模型-80- 11-3何为励磁电感，在实际变压器中起什么作用？答：在变压器中， 磁芯和线圈都不是理想的 线圈具有一定电感量，即激磁电感（ 也称励磁电感） 励磁磁场在磁芯中建立必要的磁场，为变压能量传输提供条件11-4为什么说交变磁化的磁芯利用率高，而单向磁化的磁芯利用率低？答：交变磁化（ 双向磁化） 的铁芯， 磁感应强度在± 5 " 之间变化， 其变化量大小为28”而单向磁化的铁芯，其磁感应强度变化量大小只有2m因此，双向磁化的铁芯利用率高。
11-5 一个环形磁芯，经切割后形成一个空气隙请问：加有气隙情况下，矫顽磁场强度He、饱和磁感应£、磁导率" 、剩磁感应以是否会发生变化，如何变化？哪些应用中，需要在磁芯中加入空气隙？答：环形磁芯经切割后形成一空气隙，逐步增大空气隙，则磁滞回线变得越来越倾斜和拉平，如图解11-2所示在加有气隙的情况下， 矫顽磁场强度又与饱和磁感应强度员保持不变，但磁导率/ ， 与剩余磁感应强度比变化很大，有明显下降图 解 11-2加入气隙前后的磁化曲线在反激变压器、滤波电感、储能电感中均需要加入气隙11-6功率变换器中的磁芯有哪几类工作状态？请分别叙述它们的工作特点并分别列举具体的应用实例答：功率变换器中的磁芯有三类工作状态81 - 1 ）工作状态1 （双向磁化） : 磁芯工作于双向磁化状态 即在交变激磁电压作用下，磁芯的磁感应强度B在正半周从-8 m磁化到+ 8 m ，负半周期从+ 8 m去磁到-8 m ，周而复始的沿着整个磁滞回线（ 四象限）交替磁化，无直流磁化分量，磁感应强 度 变 化 量 推 挽 变 换 器 、半桥变换器和全桥变换器中的变压器，以及逆变器的交流输出滤波电感、 全桥式变换器中的谐振电感都属于该类工作状态。
2 ）工作状态I I （ 单向脉冲电压） ：该类工作状态下，磁芯从零磁场强度单方向磁化到最大值， 然后再恢复到零 即磁芯工作在磁滞回线的第一象限——单向磁化，介 于 反 和 &之 间 ，单端正激变换器的变压器、脉冲驱动变压器、直流脉冲电流互感器等都属于此类工作状态3 ）工作状态皿 （ 直流滤波电感） ：流过线圈的电流具有较大的直流分量，并叠加一交变分量， 但交变分量比直流分量要小得多 磁芯的磁化状态将沿局部磁滞回线变化，由于局部磁滞回线包围面积小，因此磁滞和涡流损耗都小但直流分量较大，磁芯中会产生很大的磁场强度直流滤波电感、 储能电感或平波电抗器等电感，以及单端反激变换器中的变压器等都属于此类工作状态1 1 - 7如 图1 1 . 2 4所示的单向脉冲变压器，若选取8 m = 0 . 5 8 ,而每个开关周期，磁芯未磁复位，即 将 会 产 生 什 么 后 果 ？为什么？答：由于每个开关周期磁芯未能磁复位，经过一定时间的累加，磁芯会饱和1 1 - 8磁性材料的选取主要考虑哪些因素？答：磁性元件主要应用软磁材料， 常用的有铁氧体、 磁粉芯、宽恒导磁合金、 非晶合金及硅钢片等 在选用软磁材料时， 重要考虑的因素是工作磁感应强度、 磁导率、 损耗大-82- 小、工作环境和材料价格等。
一般来说，大功率且工作频率不高( 50Hz或 400Hz)选用硅钢片最好，因为其8s高且价格低如采用含硅量高的硅钢薄带，并适当减小最大磁感应强度2m值，可工作于几kHzo钻基非晶和铁基微晶比铁氧体具有更高的风和相对较高的损耗、高的居里温度和温度稳定性，但价格比较贵，同时磁芯规格不完善，适宜用于大功率或耐受高温和冲击的军用场合磁粉芯一般比铁氧体有更高的反，用磁粉芯的电感比铁氧体磁芯的体积小，但在数百kH z场合，磁粉芯损耗大，很少应用铁氧体价格低廉，材质和磁芯规格齐全，高频性能好；但材质脆，不耐冲击，温度性能较差，适用于10kW以下、工作频率从几十kHz至 数 M H z的任何电力电子变换器11-9降压型变换器，其输入/ 输出参数为：C/in= l00-200V, U°=48V, / = 2〜 10A ,开关频率/=100kHz假设功率变换器没有任何损耗若要求全负载范围内都工作在电流连 续 ( C C M )模式请设计该Buck变换器的滤波电感 已知长= 0.85)答：步 骤 1：确定电感值由题意可知：* = 0 4 8* = 0 2 4乙 291.2x10' (H)可取 Z,f=100uH,当输入电压最大时，电感电流纹波最大：>3.648 (A)则电感电流峰值为: /Lftnax= 11.824 (A)电感电流的有效值：/Lfrms= 10.05 (A)步骤2：磁芯型号和尺寸。
83- 根据电感的工作频率，选择铁氧体作为电感磁芯材料已知& = 0 . 8 5 , 则可计算出的AP值4 A =U 3= 2 . 47 6 xl0 -8( m4)其中， Kw= 0 . 4, B m对应/ L fma x，%、= 0 . 3 T ( 对于高频交流电感，如谐振电感，为减小损耗，8 m可取0 . 1 5 T) 根据计算结果，由生产厂家提供的手册数据，选择磁芯型号为E E 42 / 2 1 / 1 5 , 其磁芯参数为，A = 2 6 7 x1 0 - 6 = 1 7 8 x1 0 6 m2, A P 值为 A P = 4. 7 5 3 xlO " n ? , 因此满足要求步 骤 3 ：确定电感匝数和气隙由下式可计算得到匝数：N = L,I' fnm = 2 2 . 1 4 ,取 N = 2 3 匝以 4可计算得气隙:"NAO = -------------实际气隙大小可参考计算值适当调整 1 . 1 8 ( mm) o步骤4：确定电感绕组类型、参数由于电感电流有效值不大，因此选用漆包线作为电感绕组1 0 0 k H z时的穿透深度A为 0 . 2 0 8 9 mm, 实际选择漆包线线径d = 0 . 3 5 mm, 单根漆包线的截面积为4 = 空 _ _ 0 . 0 9 6 ( mm2)绕组所需的导线总截面积为4f = 2 . 5 1 2 5 ( mm2)由于单根漆包线的截面积不能满足总截面积的要求，因此需要多股漆包线并绕。
绕组所需的漆包线股数为阳 =生= 2 6 . 1 7 , 取 / f = 2 7 股 4绕组总的截面积为A,=处 ， = 5 9 . 6 1 6 ( mn? )步骤5 : 校核磁芯窗口填充系数K = — = 0 . 2 2 34-84- 由于Kw< 0 . 5 , 证明上述设计是合理的1 1 - 1 0 反激变换器输入电压U m= 3 0 0 V ±2 0 % ；输出电压U °= 2 4V , 额定输出功率A ma x= 1 0 0 W , 最小输出功率P °min= 2 0 W , 开关频率* = 1 0 0 k H z, 忽略寄生参数 1 ) 请问该反激变换器应设计于电流连续还是断续模式，为什么？( 2 ) 在( 1 ) 问的基础上，设计变压器答：( 1 ) 小功率反激变换器通常设计与电流断续模式，一方面可以减小变压器体积，另一方面副边整流二极管无反向恢复问题 2 ) 变压器设计如下：步 骤 1 :确定原副边绕组匝比反激变压器的设计首先需要确定占空比 y ,再由 y 计算变压器匝比 理论上， 不管 加 和 a 如何，变压器匝比可以取任意值，但匝比设计不好，可能会使得功率器件的电压电流应力大。
一般认为小近似为0 . 5 的匝比为最佳假设在额定输入电压t /i n= 3 0 0 V时Dy为 0. 5,变压器匝比为步 骤 2 ：确定变压器磁芯型号和尺寸根据开关频率和变换器输出功率，选择铁氧体材料为保证在任意电压和负载时，变换器都工作在断续模式，应在最低输入电压满载时进行设计，此时原副边电流波形如图解1 1 - 3 所示图解11-3电路断续时反激变换器原副边电流波形对于三角波电流，其有效值为-85- A ， = 0 . 5 771 / p a 何/s = 0 . 5 771 /s n ax7 T 5；由于满载输出电流/ °= 4 . 1 7A ,可得，而=事 = 1 . 5 °( 2A因此，原副边电流有效值分别为/p= 0 . 6 5 ( A )/s = 7. 2 2 ( A )可计算得到AP值=a n m in O y n m x /p + a X J / ma x M = 4 . 5 4 6 x l O ^C m4)K、4 B J式中，K 3 = 0 . 3 , △8 = Bn i = 0 . 3 T, J = 4 x l 06 A / m2 0根据计算结果，由生产厂家提供的手册数据，选择磁芯型号为E E 2 5 / I 3 / 1 1 ,其磁芯尺寸参数为 4 - 9 5 . 3 x 1 0 6 m2, A = 77. 3 x 1 0 6 m2,因此 A P = 7. 3 6 7 x l O 9 m4,满足要求。
步 骤3 ：确定变压器原副边绕组匝数和气隙长度反激变换器工作在电流断续模式下所需副边电感为U：( l - Ovmax)29 ■ /■■ /> = 5 - 6 8 ( g H )/ • Js • *omax因此原边电感为Lp =犬 & =8 8 7. 5 (阳)& 对应激磁电流为/ p m ax和/ s m ax ，可得副边匝数为-=R sm a x = 4 . 6 0 ,实际取 5 匝则原边匝数为-86- N» = K N '= 6 2 .5 ,实际取 63 匝要获得要求的电感量所需的气隙长度为,,248e = Ao's- 4- = 0八. 4430(/m m)、A步骤4：确定变压器绕组类型、参数实际选择d=0.35mm的漆包线，单根漆包线的截面积为.24 =7~ =0.096 (mm2)原副边绕组所需的导线总截面积分别为& = 4 = 0.1625(mm2)A = ^ = 1.805(mm2)J原副边绕组所需的漆包线股数分别为m = — = \ .693 ,取整 wip=2 股Ai人= 4 = 18.802 ,取整处 =19股4步 骤5：校核磁芯窗口填充系数原副边绕组总的截面积为Aoui = Np〃 2PAi + M 砥 Al = 21.216mm2窗口填充系数为Kw = ^ L = 0.2234由此说明上述变压器的设计是合理的。
11-11移相控制Z V S全桥变换器，副边采用全波整流电路，如 图5.18(e)所示输入直流电压Um=243V〜297V ,输出直流电压U0=28V,额定输出功率2800W ,开关频率.^=100kHz«考虑滤波电感压降U Lf=lV、整流二极管R I、CR2的压降UD= L2V请设计该全桥变换器的高频变压器答:-87- 步 骤 1 : 确定原副边绕组匝比假设副边整流二极管压降U D 和滤波电感压降UL f 分别为1. 2V和 1. 0 V,在最低输入电压时，全桥变换器的副边最大占空比5 耐= 0 . 8 5 （ 考虑占空比丢失）可得副边电压最小值：k = "+ ； D +4= 35. 53（ V ）“ ymax因此变压器原副边匝比为U .K = ， X_ = 6 . 8 8 4如果副边匝数是偶数，匝比也可取整数加半匝，实际取K = 6 . 5步 骤 2：确定变压器磁芯型号和尺寸根据开关频率和变换器输出功率，选择铁氧体材料对于全桥变换器，磁芯截面积和窗口面积的乘积为444 K)K.KJABJ K .K jA B J= 9 . 59 3 x l 0 -8( m4)式中， K ,. = 2, K 、,,= 0 . 3, z \ 8 = 2纥,= 0 . 3T, J = 4x 10 。
A / n ? 根据计算结果，由生产厂家提供的手册数据，选择磁芯型号为E E 55/ 28 / 25,其磁芯尺寸参数如图解 11-4 所示，/ t w = 37 5. 55x l 0 -6m2, = 420 x 10 -6m2, 因此 AP =15. 8 x l 0-8m4, 满足要求步 骤 3：确定变压器原副边绕组匝数工程上，可将副边绕组的电压近似认为是输出电压心 , 因此可得副边匝数为N 、 = % = ] [ ] （ 匝） ,实际取为2 匝则原边匝数为N p = K M = 1 3 ( 匝)-88- EAEO8TLUE8ZZ,图解11-4 EE55/28/25磁芯尺寸参数步骤4：确定变压器绕组类型、参数由于变压器功率和绕组电流有效值均比较大，因此选用铜带作为变压器绕组100kHz时的穿透深度△为0.2089mm,因此铜带厚度t 需小于2为 即 ＜0.417mm由于 EE55/28/25磁芯的窗口高度瓜=2X 18.5=37mm,因此铜带的宽度w 取 32mm满载输出电流/o= ^ = 100(A)由于副边采用全波整流，因此副边电流有效值为4=70.7(A)V2忽略原边电流的脉动，原边电流有效值可近似为{= 乡 = 15.39(A)原副边绕组所需的导线总截面积分别为& = } = 3.846(mm2)A =-^ = 17.675(mm2)J原边绕组铜带所需的厚度为t = — = 0.12(mm)P w因此，只需选择1层厚度为0.15mm的铜带作为原边绕组即可，即与二1。
副边绕组铜带所需的厚度为zs = — = 0.552( mm)w-89- 可知，1层厚度小于0 . 417 m m的铜带无法满足要求， 实际需选择2层厚度为0 . 3m m的铜带作为副边绕组，即〃s = 2步骤5：校核磁芯窗口填充系数原副边绕组的总厚度为%=Npnpfp + =4. 35m m窗口填充系数为AOUL = 0 429心由此说明上述变压器的设计是合理的第 12章电力电子技术的应用12-1请简述变频调速的基本原理为什么变频调速的过程中需要调节电压大小？答：交流电机的旋转磁场转速m =6 Q / i勿》 ，取决于供电电源的频率力和极对数小般电机的极对数是固定不变的，故通过改变电源的频率力，就可以方便的控制同步电动机的转速变频调速就是将大电网的恒频交流电源变换为频率可宽范围变化的交流电压，以调节交流电机的转速由电机的基本原理可知，以同步速旋转时，电机定子相绕组中的外加电源电压S约等于感应电势自，即0 = 4 . 4 4力U”其中NZ v i为定子相绕组等效匝数若外加电源电压不变， 仅调节电源频率， 气隙磁通中可能过大而造成磁路饱和 因此，在进行变频调速时，不仅要改变电源频率，还应同步调节电源的电压大小。
1 2 - 2请简述感应加热的基本原理答：感应加热是利用电磁感应原理在金属工件或器具上产生感应涡流效应对其加热的技术，其原理图如图解1 2 - 1所示90- 感应加热电源涡流金属工件感应线圈交变磁场图解12-1感应加热原理图12-3感应加热电源为什么既要调频又要调功？答：感应加热电源在实际工作中，不仅加工对象、加工工艺会不同，负载大小也在实时变化，负载回路的固有谐振频率也会动态变化，为了保证逆变器始终能够工作在接近单位功率因数的准谐振或者谐振状态，以实现逆变器的零电流或零电压开关，必须要对其输出频率进行调节同时，为维持理想的加热温度，也需要对逆变器输出功率进行调节12-4请对比分析LCC-HVDC和VSC-HVDC两种高压直流输电的特点和差异答：(a) LCC-HVDC采用的是半控型电力电子器件(晶闸管)，而VSC-HVDC采用的是大功率全控型电力电子器件(如IGBT、IGCT);(b) LCC-HVDC受端必须是有源网络，而VSC-HVDC电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压，可为远距离的孤立负荷送电；(c) VSC-HVDC可以同时且独立控制有功和无功，控制更加灵活方便；(d) VSC-HVDC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到SVG的作用，即动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压，提高系统的电压和功角稳定性；(e) VSC-HVDC潮流反转时直流电流方向反转，而直流电压极性不变，与LCC-HVDC恰好相反。
因此，多个VSC-HVDC可以接到一个固定极性的直流母线上，有利于构成多端直流系统；(f) 由于VSC-HVDC交流侧电流可控，所以不会影响系统的短路容量和交流系统的保护整定；(g) VSC-HVDC通常采用SPWM技术，开关频率相对较高，所需滤波装置的体积重量大大减小91 - 12-5无功补偿的方法有哪些？各有什么特点答：无功补偿的方法有多种， 如： 利用调相机做无功电源、异步电动机同步化、电容器投切、 基于电力电子装置的无功补偿等 目前主流的装置有两类： 静止无功补偿器(SVC)和静止无功发生器(S V G ),两者的功能或特点如下：( 1 )静止无功补偿器(S V C ):SVC是指采用晶闸管器件和电抗器或电容器构成无功功率补偿或电压稳定装置，包括晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(T S C )等无功补偿部件TCR通过控制触发角的大小，可改变等效电感值，实现感性无功的连续调节而TSC则通过投、切电容器，只能实现无功功率的分级控制通过TCR和TSC的组合使用，可以做到对无功功率的精细调节 2 )静止无功发生器(SVG)S V G是一种可以进行动态无功补偿的电力电子装置，属于柔性交流输电系统(FACTS)的重要装置。
SVG 一般采用IGBT等全控型电力电子器件组成自换相变流器，通过调节交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流，使其吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的12-6请绘制单相SVG等效电路，并分析其工作原理答：单相SVG等效电路如图解12-2 ( a )所示 a )单相等效电路 (b )容性运行模式 (c )感性运行模式图 解12-2 SVG等效电路图及工作原理图图 解12-2(b)、(c)为单相SVG的工作原理示意图假设电网电压和SVG的输出电压分别用相量” 和A表示，则输出连线电抗上的电压M即为几 与仄 的相量差可见，通过直接或者间接控制SVG的输出电流/ ,使其超前或者滞后电网电压90 ，就可以控制SVG所承担的无功功率的性质和大小92- 12-7电动汽车的“ 三电”系统分别是哪三个系统？请简述它们的基本功能答：电动汽车整车动力系统由电池组、电机以及电机控制器三个主要部分组成，被称为“ 三电” 系统，是电动汽车的核心部件电池为能量存储单元， 为电动汽车提供原动力；电机为驱动单元， 将电能转换为机械能，驱动汽车前行或倒退；电机控制器负责将电源提供的直流电通过电力电子装置转换成交流电供电动机使用，为电池和电机之间能量转换和调控部件。
电机控制器可以实现能量的双向流动，在汽车行驶或加速过程中，动力电池的能量经过逆变器的控制驱动电机转动；而在车辆制动或减速时，电机工作于发电状态，将能量通过逆变器回馈给动力电池12-8请简述飞机电源系统的发展历程答：飞机电源系统的发展经过以下几个阶段：（1） 2 8 V低压直流电源系统；（2）115V/400Hz恒频交流电源系统；（3）高压直流电源系统（ 主要在军机上使用） ；（ 4 ）变频交流电源系统12-9典型多电飞机变频交流电源系统都用到了哪些电力电子变换装置？答：多电飞机变频交流电源系统中大量的使用了各类电力电子装置， 包括AC-DC整流器、DC-DC变换器、DC-AC逆变器，以及AC-DC-AC变频器等其中，AC-DC整流器又包括变压整流器、自耦变压整流器和PWM整流器等几种12-10请分析单级式与两级式光伏并网逆变器的特点与基本工作原理答：图 解12-3⑶所示为单级式并网逆变器结构.可以看到，光伏组件输出的直流电压经过一级逆变后直接并入电网因此，需要将大量的光伏组件先串联到较高的电压等级，再通过二极管并联到一定的容量后通过一台集中式逆变器接入并网，逆变器既要负责最大功率跟踪控制，又要承担并网控制。
这种结构最主要的优点是电能只经过一级电路变换，效率高 但是随着光照的变化， 直流母线电压变化范围较宽， 一定程度上-93- 增加优化设计的难度，且存在系统抗局部阴影能力差等问题单级式并网逆变器一般用于日照均匀的厂房、 荒漠电站、 地面电站等大型光伏发电系统中， 其系统总功率大，容量一般在50kW以上，有些单机容量甚至超过兆瓦 *夺*电网MPPT及并网控制光伏电池前级DC-DCMPPT控制光伏电池.......K.......后级DC-AC母线及并网控制介( a ) 单级式光伏并网逆变器( b ) 两级式光伏并网逆变器图 解 12-3光伏并网逆变器图 解 12-3(b)给出了两级式光伏并网逆变器的结构示意图， 主功率拓扑采用DC-DC与 DC-AC串联的两级功率结构，前级DC-DC完成升压变换以及光伏电池的最大功率点跟踪控制， 后级DC-AC逆变器则负责中间直流母线电压的控制以及并网逆变 组串式光伏发电系统基于模块化概念的设计，多片光伏电池组件根据逆变器额定输入电压要求串联成一个组串，通过组串式逆变器接入电网，通常用于光伏建筑或者屋顶电站等中小功率光伏发电系统12-11 请简述双馈风力发电机组与全功率变换风力发电机组的构成与基本原理。
答：图解12-4 ( a ) 给出了双馈机组的基本构成示意图，双馈感应发电机的定子绕组直接与电网相连转子绕组由滑环引出，并通过一组背靠背的双向AC-DC-AC变流器与电网相连通过调节转差功率，双馈感应发电机可在次同步、同步和超同步三种工况下运行，转速调节范围较宽双馈机组由于转子回路处理的只是发电机的转差功率，因此电力电子变流器的额定容量可以设计得较小，仅为机组额定容量的1/3 ,可以有效地降低变换器的成本和设计难度图解12-4 ( b ) 给出了基于全功率电力电子变流器的风力发电机组基本结构图由于极对数多、同步转速低， 发电机与风力机之间可直接刚性相连( 称为直驱) 或采用单级齿轮箱连接( 称为半直驱) 发电机通过全功率AC-DC-AC背靠背变流器与电网相连，实现了发电机和电网的完全解耦，使得机组可以在全范围内变速运行，进一步提-9 4 - 高了机组的风能转换效率其中，机侧变换器主要实现机组的最大功率跟踪控制，而网侧机组主要负责直流母线电压和并网电流的控制全功率变换器组具备良好的有功和无功控制能力，可以有效地降低风电对电网的负面影响，提高电网稳定性 a ) 双馈机组基本结构图风轮永磁同步发电机电网全功率变流器变压器( b ) 全功率机组的基本结构图图 解 12-4两种风电年机组的结构图12-12数据中心供电系统主要有哪几种架构？请绘制它们的基本结构图。
答：数据中心供电系统主要有三种架构：交流供电架构、48V 直流供电架构和高压直流供电架构它们的结构图如解12-5所示：( a ) 交流供电架构-95- ( c ) 高压直流供电架构图 解 12-5数据中心供电系统架构12-13不间断供电电源按其结构划分为哪三种？各有什么特点答：不间断供电电源按其结构可划分成后备式UPS电源、 互动式UPS电源、 式 UPS电源三种后备式UPS具有结构简单、价格低廉等优点 但是，由于后备式UPS在市电正常时由电网直接向负载供电，因此对电网的畸变和干扰无抑制作用同时，在市电断电时， 继电器将逆变器切换至负载时间偏长， 通常会有数毫秒的供电间断因此， 后备式UPS电源主要应用于某些不是非常重要的负载互动式UPS具有较高的可靠性和转换效率、较低的维护和维修费用，性能足以满足一般用电设备的需求，适用于采用分布式供电的计算机设备互动式UPS又有低频互动式UPS和高频互动式UPS式UPS电源采用了串行全功率变换结构，因而对电网的畸变和干扰具有很好的抑制作用， 其产品具备性能好、电压稳定度与频率稳定度高、 功能强、 具有热备份和并联冗余功能等优点12-14 LED最常用的调光方式有哪两种？请阐述两者的基本原理与特点。
答：-96- LED常用的调光方式主要有DC调光和PWM调光两种在 D C调光方式下，LED流过的电流是恒定的，通过调节电流的大小实现调光；而 PW M 调光方式下，LED流过的电流是一定频率的方波，通过调节脉冲电流的宽度（ 即占空比） ，来实现调光相比之下，采用DC调光时LED的发光效率更高，且电流有效值低，可使得LED结温低，光衰慢，寿命更长12-15请思考图12.27（ a） 所示的单级式电源适配器是如何同时实现输入功率因数校正和输出电压控制答：思考要点： 反激变换器工作与电流断续（ 或临界连续） 模式，原边电流的峰值需要跟随输入交流半波变化97- 。