第8章 复习题及思考题解答
8.1 开通损耗和关断损耗是如何产生的？
答：开通时，开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降的过程，同时，电流也不是立即上升到稳态电流，从而，开关管的电压电流由一个叠加区，会产生开通损耗。同理，关断过程中，电流不是迅速下降到零，电压不是立即上升到稳态电压，均有一个过渡时间。此时，电流电压有一个交叠区，产生关断损耗。
8.2 如何减小开通损耗和关断损耗？ 答：减小开通损耗：
1) 开关管开通时，使电流保持为零或限制电流上升率，减小电流与电压的交叠区，降低损
耗。
2) 在开关管开通前，使其电压下降到零。 减小关断损耗：
1) 在关断前，使其电流下降为零。
2) 在关断时，使其电压保持为零或限制电压的上升率，从而减小电流电压交叠区，较低损
耗。
8.3 零电压开关和零电流开关的含义是什么？
答：零电压开通：开关器件两端的正向电压vT谐振到零、在vT=0期间施加驱动信号开通开关管，因而开关管T在其等效电阻rT从??0的开通过程中和随后的电流iT建立的过程中
vT?0，开关损耗pT=vTiT≡0，而无开通损耗。
零电压关断：开关管关断时，其电压慢慢上升，近似于零电压关断。
零电流关断：在开关器件电流iT谐振到零，在iT=0期间撤除驱动信号，关断开关器件，
因此在开关管等效电阻rT从0??关断过程中iT?0，pT=vTiT≡0而无关断损耗。
零电流开通：开关管开通时，其电流是慢慢增加的，近似于零电流开通。
8.4 准谐振变换器的基本思路是什么？其优点和缺点各是什么？
答：对于零电流开关准谐振变换器，功率开关S与电感谐振Lr串联，开通前，Lr电流为零。当S开通时，Lr限制S中电流的上升率；S关断时，Lr与Cr谐振工作使Lr电流回零，实现零电流关断。
对于零电压开关准谐振变换器，谐振电容Cr与功率开关S并联，当S关断时，Cr限制S上电压的上升率，从而实现S的零电压关断，而S开通时，Lr与Cr谐振工作使Cr电压先回零，实现零电压开通。
优点：主开关实现了零开关，减小了开关损耗。
缺点：调制方式必须采用脉冲频率调制（PFM），开关频率是变化的，变换器的高频变压器、输入滤波器和输出滤波器难以优化设计。
8.5 ZVS PWM变换器和ZCS PWM变换器与准谐振变换器的关系是什么？ 答：ZVS PWM变换器和ZCS PWM变换器是分别在ZVS QRCs变换器和ZCS QRCs变换器的基础上改进而得到的。在ZCS QRCs的谐振电容上串联一只辅助开关管（含反并联二极管）就可以得到ZCS PWM变换器，而在ZVS QRCs的谐振电感上并联一只辅助开关管和一只二极管则可以得到ZVS PWM变换器。
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ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器控制辅助开关管的开关时间，来控制谐振电感和谐振电容的谐振工作过程，从而实现变换器PWM控制。ZCS PWM变换器和ZVS PWM变换器实现主开关管的软开关的条件、主开关管和整流二极管的电流和电压应力分别于ZCS QRCs和ZVS QRCs完全一样。
8.6 ZVS PWM变换器和ZVT PWM变换器有何不同，哪一类更有优势？为什么？
答：ZVS PWM变换器和ZVT PWM变换器主要的区别在于辅助开关管的位置不同，同时其辅助开关管的开通时间以及持续时间都不同。对于buck电路，ZVS PWM变换器的辅助开关管是在主开关管关断前开通辅助开关管，持续一段时间后，关断辅助开关管，然后谐振半个周期，主开关管实现零电压开通；而ZVT PWM辅助开关管在主开关管开通前先开通，持续半个谐振周期，然后主开关管实现零电压开通，接着辅助开关管关断。
相比于ZVS PWM，ZVT PWM具有以下优势：1)在任意负载和输入电压范围内，主开关管均可实现ZVS；2)升压二极管实现了ZCS，消除了反向恢复问题；3)主开关管和升压二极管的电压、电流应力与其基本电路一样；4)辅助开关管是零电流开通，但有容性开通损耗；5)辅助电路工作时间很短，其电流有效值和损耗小。
8.7 什么叫移相控制？对于全桥逆变器，移相控制与传统的控制方式（即斜对角的两只开关管同时开通和关断）有何优缺点？
答：电路结构和主要波形见书图8.24，其中四只开关管Q1—Q4及其反并二极管D1—D4和并联电容C1—C4组成逆变桥，Lr是谐振电感，它包括了变压器的原边漏感。每个桥臂的两个功率管180o互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小来调节输出电压。Q1和Q3分别超前于Q2和Q4一个相位，称Q1和Q3 组成的桥臂为超前桥臂，Q2和Q4组成的桥臂为滞后桥臂。
移相控制能实现零电压开通，能有效减少损耗，而传统的控制方式属于硬开关，不能实现ZVS。移相控制PWM每个开关管的导电角持续1800，每个桥臂上下管的驱动信号设置了死区。
移相控制的缺点是会存在占空比丢失的状况。占空比丢失是指副边的占空比Dsec小于原边的占空比Dp，其差值就是占空比丢失Dloss，即Dloss=Dp-Dsec。变换器存在原边电流从正向（或负向）变化到负向（或正向）负载电流的时间，在这段时间里，虽然原边有正电压方波或负电压方波，但原边不足以提供负载电流，导致副边整流桥的所有二极管导通，负载处于续流状态，其两端电压为零。这样副边就丢失了一部分电压方波。
8.8 移相控制全桥变换器能否在全负载范围内实现零电压开关？
答：不能。当轻载的时候，在开关模态5和6，t=t4时C3放电到零，这时要求：
ip(t4)?1(ZrI0)2?VD2?0 Zr因而 I0>VD/Zr，此后D5、D6仍同时导通，vo=vN1=0，ip经D3、VD、D2续流，t=t6时ip下降为零，t4→t6：vC3≡0，t5时T3才可实现零电压开通，而在轻载时I0很小，无法实现I0>VD/Zr，无法实现零电压开关。故其无法实现全负载范围内零电压开关。
8.9 谐振直流环节逆变器实现零电压开关的基本原理是什么？如何选择谐振电感的预充电电流？
答：电路图见书8.26。当在输入直流电压和逆变器之间加入一个谐振直流环节，即谐振开关
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管Qr，谐振电感Lr和谐振电容Cr，使逆变桥的直流母线电压周期性地过零，为逆变桥的开关管提供零电压开关的条件。
由于在实际电路中，谐振电感中不可避免地存在寄生电阻，因此LC谐振回路是存在损耗的，VCr将无法谐振回零。为了弥补这部分损耗，以使VCr 周期性地回零，必须要求IL0>IX，即IT>0。如果IT过小，可能会导致VCr 回零失败，从而造成谐振直流环节不能正常工作。如果IT过大，给Lr补充的能量过多，VCr的幅值将会很高，使开关管的电压应力增加，而且Lr的损耗也会增加，因此必须要合理选择IT。
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第9章 复习题及思考题解答
9.1 AC/AC 直接变频、变压电源和AC—DC—AC两级间接变频、变压电源各有那些优缺点？ 答：晶闸管相控交流—交流直接变频器变换后，可以获得频率低于50Hz的变压、变频交流电源，这种直接变频的缺点是：只能降低频率，同时输出电压波形中含有较大的谐波，输入电流谐波严重且功率因数低。
AC—DC—AC两级间接变频、变压电源中，第Ⅰ级交流—直流整流变换电路可以根据不同的应用要求采用各种方案，第Ⅱ级直流—交流逆变器的输出频率可以是任意值，电压、频率可独立或协调控制，采用SPWM控制的变换器输出交流电压波形畸变率较小，直流电源中谐波电流也不严重且易于滤波（开关频率可以较高）。
9.2 变速恒频风力发电系统中可以采用哪些电力电子变换方案？
答：变速恒频风力发电系统中一般采用两种电力电子变换方案，即：直驱型永磁同步电机风力发电系统和绕线型转子交流励磁双馈异步电机风力发电系统
9.3 采用晶闸管的直流输电系统与轻型直流输电系统的优、缺点是什么？
答：晶闸管相控整流和有源逆变的固有缺点，使采用晶闸管为开关元件的直流输电系统不可避免地存在严重的谐波，而且功率因数低(交流电源的基波功率因数cos?1?cos?，延迟触发控制角?大，功率因数低)。采用全控型开关器件的直流输电系统被称为轻型直流输电系统，由于全控型开关器件的额定电压、电流容量目前还远小于晶闸管，加之其价格还比较高，因此采用全控型开关器件的轻型直流输电系统，虽能避免晶闸管相控整流和有源逆变的固有缺点，但目前仅限于用作海上岛屿与大陆之间海底电缆直流输电以及对城市负荷中心点地下直流电缆输电。
9.4 图9.5所示鼠笼型异步电动机变压、变频传动系统，有哪些运行特点和优、缺点？
答：图9.5所示鼠笼型异步电动机变压、变频传动系统中逆变器输出电压和频率可控，从而交流电动机的转速可控。在异步电机变压、变频运行控制策略中最简单的一种就是保持
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V1/fs比值恒定的恒压频比控制，由于恒压频比控制的简单性，所以被广泛应用于转速开环
的交流调速系统，适用于对静、动态性能要求不高的场合，如对风机、泵类进行变频调速以达到节能的目的。
但是图9.5所示鼠笼型异步电动机变压、变频传动系统不能实现电动机的四象限运行，因为第一级是三相不控整流电路，其电流不能反向。
9.5 分析图9.9所示的含升压（Boost）型功率因数校正器环节的高频整流器的工作原理。
答：图9.9主电路由单相桥式不控整流器和DC－DC Boost变换器组成。虚线框内为控制电路，包括：电压误差放大器VAR、电流误差放大器CAR、乘法器、比较器C和驱动器等。假
*定负载需要一个电压为VO的直流电压，有源功率因数校正器APFC的工作原理如下：将主电
*路的输出电压VO和指令输出电压VO送入一个比例积分PI型电压误差放大器VAR，VAR的输
***出是个直流量m，当实际输出直流电压VO大于指令值VO时，VO?VO，m减小；当VO?VO时，
*时，m保持不变。将二极管整流电压vdc检测值vdc?vS(交流电源电压瞬m增大；当VO?VO时值的绝对值)和VAR的输出电压信号m共同加到乘法器的输入端，用乘法器的输出mvS作为电感电流iL ? iS?iL?的电流指令值ir，因此电流指令ir(ir?mvdc)?m?vS的波形与交流电源电压vS相同，即指令电流ir是与交流电源vS同相位的正弦波，而ir的大小则取决于实际电
*压VO与电压指令值VO的误差。将ir与电感电流iL的检测值（iL?iS）一起送入比例、积分
PI型电流误差比较器CAR，CAR的输出作为开关管T的PWM驱动控制电压vr，最后将vr与一个恒频三角波v?送入比较器C，C的输出被取作开关管T的驱动信号vG，经驱动器功率放大后再驱动开关器件T。当iL?iS?ir时，CAR输出vr增大，使图9.9(a)、(b)中驱动电压vG变宽，开关管T导通时间ton增长，使iL?iS上升，一旦iL?iS上升到大于ir值后CAR输出开始减小，开关管导通时间ton减短使iS?iL?iO下降。驱动信号vG控制开关管T的导通占空比(ton/TS)，使iS?iL跟踪指令值ir，而且输入电流iS的波形与交流电源电压vS的波形同相，电源电流中的谐波也大为减少，输入端功率因数接近于1，同时功率因数校正器中的电压闭
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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3～5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；
1
(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1.6(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f时，在半周期T/2?1/2f内使S1、S4导通，S2、S3阻断，则逆变电路输出电压
VDCdLdiD图1.2 电力变换类型vO?vCD??VD；令随后的T/2时间内S2、
S3导通，S1、S4阻断，则逆变电路输出电压为负的电源电压（?VD）。因此vO是频率为
f、幅值为VD的交流方波电压，如图1.6(b)
所示。对vO进行傅里叶分解，得到其基波电
压
有
效
值
为
V1?4VDπ/?222π，大小取决于VD/ 直流电源的电压；基波角频率
??2πf?2π/T，取决于开关的工作频
率。其中含有大量的高次谐波经LC滤去后，负载可获得正弦交流基波电压v1。
B、 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Ton内让相应的开关导通，则vO(vCD)将是导电时间小于T/2，导电宽度角?小于π的矩形波，如图
2
1.6(c)所示进行傅里叶分解，得到基波电压有效值为V1?4VD1?22??sin?VD?sin π2π22或 V1?22VDsin(πTon/T)。显然，控制导通时间可以控制输出电压基波大小，而输出π电压的频率f仍取决于开关工作频率。
C、 若采用高频开关PWM控制策略，则交流输出电压vO为图1.6(d)所示的脉冲宽度调制（PWM）的交流电压，输出电压波形vO更接近正弦波且其中谐波电压的频率较高，只需要很小的LC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。 （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LdCd滤波器。 5. 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LC滤波电路；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、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
3
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TK中，可输出图1.10（b）所示的PWM矩形波电压vO(t) (LMNR)，在Ton?DTK期间电压
vAB(t)?VD，在Toff?TK?Ton?(1?D)TK期间vAB(t)?0。在一个周期时期TK中，vO(t)的平均值为VO?VD?Ton/TK?DVD，即图中矩形波电压EFHG。若开关管通、断状态转换的开关频率fK?1/TK很高，即周期TK很小，则实际输出脉宽为Ton，幅值为VD的电压
(LMNR)与脉宽为TK，幅值为平均值电压DVD(EFHG)都是历时很短的脉冲电压。
LdIdTon=DTiAB(t)io(t)vo(t)TonToffFEMKVDNToffHTonvAB(t)-+Vo=DVLtKRTK=Ton+Toff(b) ??????DG(a) ???
VDMFTonNHVo(tK)=DVDCLRVo*(t)SSSELtKRTKG (d) ??????t (c) Vo(tK)??Vo*(t)??
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v1(t) (LMNR)、
v2(t)(EFHG)，只要在同一时期TK中，其脉冲量积分值?v(t)dt相等，则它们作用于同一
个惯性系统，如RL电路时的响应是等效的，因此开关电路在整个开关周期TK时期中输出的vO(t)可等效为幅值为DVD，历时TK的电压瞬时值(EFHG)。如果要求开关电路输出图
**1.10（c）中vO(t)所示波形的指令电压，即在t?tK瞬间指令电压为vO(tK)，则在以tK点为
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中心的一个开关周期TK中，控制开关管的通、断状态及其导通、关断时间，使占空比
*平均电压VO(t)?VO(tK)?D(t)?VD?VD?Ton/TK?VO即TK周D(t)?DK?Ton/TK，(tK)，*期中的占空比D(t)?VO(tK)/VD，以此控制图1.10（a）中S1、S2、S3、S4的通断状态，
使Ton=D(t)?TK，Toff?[1?D（t）]TK，即可使输出电压跟踪任意频率、波形、相位的指令
*电压值vO(t)。
*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iO(t)。为此，
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iO(t)并与指令值
**将差值?i?iO调控占空比D，(t)?iO(t)经电流调节器输出一个控制电压VC，iO(t)相比较，
*当iO(t)?iO(t)时，控制电压VC增大，使D增大，导致VO(t)加大，iO(t)加大，使iO(t)跟***踪iO(t)。反之，当iO(t)?iO(t)时，控制电压VC减小，使占空比D减小，(t)，达到iO(t)?iO**VO(t)减小，iO(t)减小，iO(t)跟踪指令值iO(t)。因此，只要根据指令(t)，达到iO(t)?iO*电流iO(t)的正、负数值，实时、适式地调控各开关管的通、断状态及相应的占空比D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iO(t)。
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第7章 复习题及思考题解答
7.1 比较图7.1和7.3所示SCR和GTO两种驱动器工作原理、驱动器的输出波形和脉冲变压器的利用率。
图 7.1 有隔离变压器的SCR触发
图 7.3 有隔离变压器的GTO驱
答：两者都是采用脉冲变压器进行隔离的。对于SCR，当控制系统发出的驱动信号经变压器放大后，再经过二极管整流便可获得触发脉冲电流IG。为防止脉冲变压器饱和，在PTR原方增加了由齐纳二极管和二极管组成的续流部分，在驱动信号为零时电流可迅速衰减至零。对于GTO，由于在脉冲变压器次级含有四个二极管组成的全桥整流，增加了脉冲变压器的利用率。关断时需要在门极施加大幅值的负脉冲电流，故GTO驱动器与SCR驱动器相比，增加了产生负脉冲电流的部分。即SCR驱动器输出波形中只有正脉冲，而GTO驱动器输出波形中有正、负脉冲。
7.2 图7.4(a)所示BJT驱动器中为什么要用正、负双电源，电容Ｃ起什么作用。
答：BJT断态时应施加反向的基—射极间电压，以缩短关断时间和增加三极管的集—射间阻断能力。因此，用正、负双电源的目的就是为了能在BJT阻断时，给基—射极间施加反偏
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电压，使BJT快速关断，并维持断态。
电容C为加速电容，电路输入低电平时，电容C充电，充电电流在BJT开通初期提供基极瞬时大电流（提升电流），可以加快开通过程，稳态导通时，基极电流减小，可以减短关断过程。
7.3 说明图7.6、图7.7中P-MOSFET驱动器工作原理。
答：图7.6画出了由脉冲变压器PTR驱动的P?MOSFET。有正信号输入时，变压器副方电压VSG经过D1向P?MOSFET管提供开通电压并给门极/源极结电容充电，这时辅助
MOS管AM受反偏而不导电，阻断了P?MOSFET门极结电容C经AM放电。当有负
信号输入、脉冲变压器PTR副方VSG?0，辅助MOS管AM导电，D、S两点导通，抽出P?MOSFET管门极结电容C的电荷，使其关断。
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图7.7给出了P?MOSFET带光耦的驱动器，有驱动信号时，A点位正电位，T1导通使MOSFET导通。无驱动信号时，A点位负电位，T2导通，稳压管的电压作为反压加至
MOSFET的栅（G）-源（S）极关断MOSFET。
7.4 有光耦隔离的驱动器优、缺点是什么？
答：有光耦隔离的驱动器两侧的电磁干扰小，但光耦器件需要承受主电路的高压，有时还需要增加额外的电源和脉冲电流放大器。
7.5 半导体开关器件关断时，其电流iT(t)可近似认为是线性下降到零，其电压vT(t)由什么决定？
答：电压vT(t)由线路电感L?的大小决定。可参见书图7.10及7.11。
7.6 并联缓冲器和串联缓冲器功能是什么？线路杂散电感或串联缓冲电感在开关电器开通、关断过程中起什么作用？
答：并联缓冲器的作用是延缓关断过程中开关管电压的上升速度和限制其数值。
串联缓冲器的作用是使开关管电流在开关关断过程中缓慢上升，减小了开通时的di/dt，改善了开通时的轨迹，确保开关器件的安全运行。
线路杂散电感L?可以使开关管开通时两端电压vT减小，改善开通特性，并可减小开通时的di/dt，所以有时又人为地串联一个数值不大的缓冲电感LK。但是较大的串联缓冲电感在关断过程中又会引起vT较多的超过vD，为此可在LK两端并联二极管DK和电阻RK阻尼电路，抑制关断过程中三极管的过电压。
7.7 说明图7.14(a)的限幅缓冲电路的基本缓冲原理和优、缺点。
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答：限幅缓冲电路的基本工作原理，无论通态和断态缓冲电容C的电压都保持VD不变，仅在关断过程中，vT从零上升，超过VD后缓冲电容C才起作用，限制vT的增长，适当选择电容C的数值可以将关断时的电压、电流轨迹控制在安全区以内。
优点：缓冲电容的电压变化不大，缓冲电阻能耗不大。
缺点：关断过程中，vT超过VD后缓冲电容C才起作用，电压尖峰会相对比较高。
7.8 输入滤波器（电源侧滤波器）、输出滤波器（负载侧滤波器）的主要功能是什么？其滤波效果与哪些因素有关，为什么？
答：电力电子开关电路的输入电流，在直流电源供电时不可能是平直的直流电流而含有交流谐波电流，在交流电源供电时不可能是正弦电流而含有高次谐波电流。因此，输入滤波器的主要功能就是要抑制电力电子变换电路输入电流中的谐波电流流入供电电源，改善供电电源的供电质量。电力电子开关电路输出的直流电压不可能是平直的直流电压，输出的交流电压也不可能是正弦交流电压，输出滤波器的功能就是将开关电路输出直流电压中的交流分量滤除，只将平直的直流平均值电压输给负载，或将开关电路输出交流电压中的谐波电压滤除，只将正弦基波电压供给负载。所以，输出滤波器的主要功能就是改善电力电子变换器输出到负载上的供电电压质量。
滤波效果与滤波器的电感值、电容值和谐波的阶次有关。电容电抗与频率成反比，并联在电路中滤除高频谐波；电感阻抗与频率成正比，串联在电路中滤除高频谐波。
7.9 如何选择半导体电力开关器件的散热器使其工作中的结温不超过允许值？
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答：在开关器件的散热系统的分析与设计中，经常采用图7.21所示的热等效电路。开关器件的功耗P所对应的热量经过三个热阻后发散在周围环境空气中：热先经半导体管芯PN结-管壳之间的热阻R?jC流至管壳，再经管壳-散热器之间的热阻R?CS流至散热器，最后在经散热器与周围空气环境之间的热阻R?SA将热量散发至空气中，热从高温流向低温区，PN结温?j>壳温?C>散热器温度?s>空气环境温度?A。利用热等效电路计算满足上述不等式的要求，散热器与环境之间的热阻值需要达到的值，再根据散热器产品的参数选择热阻器。
图 7.21 带散热器的开关器件及散热等效电路
7.10 电力电子变换器控制系统的基本功能是什么？
答：变换器控制系统的主要任务是为半导体电力开关器件产生开、关信号，从而得到需要的输出电压或电流。此外还应能监控变换器的工作状态，显示、记录运行参数，远程通讯以及故障处理等等。
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（5）换相重叠角?，
2?Lc2?2??50?5?10?3cos??cos(???)?ID??20?0.117
2Vl2?380 cos(148.2??)?cos148.2?0.117??0.8499?0.117??0.969 ??165.2?148.2?17
（10）PAC?(?Ei?RID)ID?(480?14)?20?9.32KW （11）关断时间toff为0.28ms，对应的关断角
ooooo?o???toff?2??50?180??0.28?10?3?5o，
剩余安全角?r?180?(?????o)?180?148.2?17?5?9.8o
（12）若关断时间toff为40?s，要求剩余安全角?r?10，求最小逆变角?min
otoff为0.04ms，对应的关断角?o???toff?2??50?最大触发角?max：
180??0.04?10?3?0.7o，
???max????o??r，
cos(?max??)?cos[??(?o??r)]??cos(?o??r) cos?max?2?Lc2VlID?cos(?max??)?2?Lc2VlID?cos(?o??r)?0.117?cos10.7o??0.8656?max?150o 所以：?min?180o??max?30o。
5.8 三相桥式相控整流电路触发脉冲的最小宽度应是多少？
答：为了保证三相桥式相控整流桥开始工作时共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管导电形成
电流回路，或者在电流断流后能再次形成电流回路，必须使两组中（正组T1、T3、T5和反组T4、T6、T2）应导通的那两个晶闸管同时有触发脉冲。有两种办法：一种是采用宽脉冲触发，使每个触发脉冲的宽度大于60?（一般取80°～100°）；另一种是采用双脉冲触发，在触发某一晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个触发脉冲，相当于用两个窄脉冲替代一个宽度大于60°的宽脉冲。所以，三相桥式相控整流电路触发脉冲的最小宽度应是60°，同时要加上元件能够被可靠触发导通所需要施加的脉冲宽度。
5.9三相PWM整流与三相PWM逆变有什么异、同之处？
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答：
（1） PWM逆变器实现直流到交流的变换，是无源逆变，控制方式为他控式，也就是逆变
电压的大小、频率和相位都可以根据需要进行控制。PWM整流器能实现交流到直流的变换，也可以实现直流到交流的变换。但这时的逆变是有源逆变，即对逆变电压的大小、频率和相位的控制，要根据交流侧电源的频率、相位的实际情况和控制目的进行控制，否则就达不到相应的目的。
（2） 三相PWM整流器与逆变器在主电路结构上基本相同，两者均采用全控型半导体开关
器件，开关管按正弦脉宽调制进行控制。但PWM整流器的主电路必须要有输入电感，整流器交流侧的电压vi和交流电源电压之差加到了输入电感上。 ?的幅（3） 三相PWM整流器能量可以双向流动：可以通过适当控制整流器交流端的电压Vi?，交流输入电流的功率因数控制值和相位，从而获得所需大小和相位的输入电流IS可以被控制为任意值，实现交、直流侧的双向能量流动。
5.10 什么是电压纹波系数、脉动系数、基波电流数值因数、基波电流位移因数（基波功率
因数）和整流输入功率因数？
答：电压纹波系数RF：输出电压中全部交流谐波分量有效值VH与输出电压直流平均值Vd之比值，?v?RF?VH/Vd。
电压脉动系数Sn：整流输出电压中最低次谐波幅值Vnm与直流平均值Vd之比Sn=Vnm/Vd 。 基波电流数值因数：基波电流有效值Is1与总电流有效值Is之比，即： ??IS1?ISIS122IS1?∑ISnn?2∞?1221?∑ISnIS1n?2∞?11?THD2 。
基波电流位移因数DPF（基波功率因数）：输入电压与输入电流基波分量之间的相位角?1（位移角）的余弦，即DPF?cos?1 。
整流输入功率因数PF：
PF?PAC/(VSIS)?VSIS1cos?1/(VSIS)?(cos?1)?IS1/IS???cos?1。
5.11 什么是半波整流、全波整流、半控整流、全控整流、相控整流、高频PWM整流? 答：半波整流：整流器只在交流电源的半个周波输出整流电压，交流电源仅在半个周期中有
电流。
全波整流：整流器在交流电源的正、负半波都有直流电压输出，交流电源在正负半周期均有电流。
全控整流：指整流主电路中开关器件均为可控器件。
半控整流：指整流主电路中开关器件不全是可控器件，而有不控器件二极管。
相控整流：全控整流电路中的开关管为半控器件晶闸管，控制触发脉冲出现的时刻（即
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改变晶闸管的移相控制角?的大小），从而控制负载的整流电压。
高频PWM整流：整流主电路中开关器件均为全控器件，采用高频PWM控制，即在一个电源周期内高频改变开关管的导通状况。
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第6章 复习题及思考题解答
6.1 单相交流电压控制器当控制角?小于负载功率因数角?时为什么输出电压不可控？ 答：图6.2（c）中，如果把T1、T4的触发信号ig1、ig4的起点从?t??提前，即在?t????时开始触发T1，在?t????????时开始触发T4。在?t????时，由于仍是负电流，即T4仍在导通，故这时的触发电流ig1并不能使T1立即导电，ig1对T1不起作用，直到?t??时iT4=is=io=0，如果这时还有ig1，ig1才可能开通T1。
因此RL负载、???时，如果要是电压控制器能正常工作，触发信号ig必须是宽脉冲。如果??0，则脉冲宽度应超过?，而且此时虽然???，但与???时一样，输出电压、电流波形都是完整的正弦波。
6.2 由图6-2（e）查得：单相全波交流电压控制器在电阻负载（??0）时导电角?为
??180???，在纯电感负载时（??90?），当??90?时??180?，??90?时??2(180???)。从物理上解释这一结果。
答：??0时，为电阻负载，在?t闸管关断，故?????
??时，晶闸管开通，在?t??时，电压反向，晶
??90?时，为纯电感负载，??90?时，输出电压不可控，电流波形为连续正弦波，
见图6.2（c），故??180?
??90?时，在?t??时，晶闸管开通，电流以0开始上升，电感开始储能，在?t??时，电压v0?0，此后v0?0，电感储能释放，故在?t??时，电流达到最大，然后开始
减小。由于v0时对称性，电流将会是对称的，故??2(???)。
6.3单相交流电压控制器带电感、电阻负载时，如何利用图6.2（e）、6.2（f）计算出晶闸管电流有效值。
答：根据??tg?1?L/R 求出负载阻抗角?，再根据图6.2(e)、（f）画出的以?为参变量，
****与触发控制角a的函数关系即可得到ITav。晶闸管电流IT的基准值为2VS/Z， ITav、IT、IT*则IT的相对值为I*?I/2VS?Z?I，则IT?ITTTTZ2VS2VS2VS*，ITav?ITav ZZ**图6.2(e)、（f）是按（6-23）、（6-24）式画出的以?为参变量ITav与触发控制角a的、IT 34
函数关系。
根据图6.2(e)所示的导通角?与触发角控制角的关系??f(a)，即可求出a。
图6.2 单相交流电压控制器电路、波形及特性
6.4图6.5（a）所示三相星型联结电压控制器不同的控制角?时为什么会有两类导电工作状态？控制角?的有效控制范围为什么是0???150?？
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答：对于图6.5（a）所示三相星型联结电压控制器，要想电流形成通路，要么三相同时工作，要么两相同时工作，所以对于控制角不同时，电路只有两种导电工作状态：
第一类：三相同时导电工作状态，在同一时刻，每一相有一个晶闸管导电，因此任何时刻同时有三个晶闸管导电。
第二类：二相同时导电工作状态，在同一时刻仅二相各有一个晶闸管导电，第三相中的两个晶闸管都不导电，这时电流从电源的一相流出，经负载后从另一相回到交流电源。无论是电源还是负载的第三相都不导电。
??150?时，T1与T6共同存在的最早时刻是在UAN=UBN的交点之后，即UAN T6承受反压而无法开通。因此控制角控制输出电压的变化范围是0???150?。 6.5图6.6所示三相开口三角形电压控制器有什么优点？控制角工作范围是多大？ 答：优点：因为负载是三角形联结，负载相电流中的3次及3的倍数次谐波是零序分量电流，它们在相位上相差3*120?，即它们在三相对称负载中有相同的相位和幅值，在三角形环路中形成环流，故在三相线电流中不存在3次及3的倍数次谐波电流分量。 控制角工作范围：????? 36 6.6 图6.7（a）中如果要求输出电压的变化范围是0?V0?(V1?V2)，怎样对T1、T2、T3、T4进行相控最好？为什么？ 答：T3和T4在电源电压vS的整个周期内都处于断态，而T1和T2在vS的整个周期内交替地导通，控制触发角则可调节负载电压v0在0?v0?(v1?v2)内变化。 6.7晶闸管相控直接变频的基本原理是什么？为什么只能降频、降压而不能升频升压？ 答：图6.9（a）所示电路中只要使两组变流器在相控状态下工作，根据负载所需的交流电压频率f0和电压Vom大小，按（6-26）、（6-28）式对两组变流器进行相控，当负载电流io?0时，令正组P工作、反组停止工作。反之当io?0时，令反组N工作、正组停止工作，并保持?N?180???P，那么就能在负载上得到所需要的频率为f0、幅值为Vom的近似正弦交流电压，在交流电源电压不变从而VDO不变的情况下，只要改变（6-26）-（6-28）式中的 37 变压比K值，即可改变交流输出电压大小。当然这种直接变频从原理上讲只是把相控“整流”输出电压脉冲中的每个脉冲的平均值控制到按“正弦规律”变化，然后再把这一系列直流脉冲拼成一个近似的“正弦波”。因此输出到负载端的交流电压的周期只能比电源交流电压周期长，其输出频率只能低于交流电源频率，只能降频、降压。 6.8晶闸管相控直接变频电路中正、反两组相控变流器的控制角?P、?N为什么要保持 ?P??N?180?；为什么正、反组输出电压瞬时值vP?vN？ 答：?P??N?180?时，可以使任何时候连续正值输出电压平均值VP等于反组输出电压平均值VN。 在[?p 在[?N，, ?p??]区间 ，vp?Vssin?t ，vN??VSsin?t ?N??] 区间 且?p??n?180?∴vP?vN 6.9 图6.9（a）交流-交流直接变频器与第5章图5.31(a)所示直流电动机可逆传动系统两组变流器的工作方式、控制原理有什么异、同之处？ 答：同：均是通过对正组、反组控制角的控制。 异：图5.31是正反两组均可工作在整流、逆变状态，通过改变晶闸管的触发控制角或逆变角，可以调节整流或逆变电压VD，控制交流电源－负载之间交换的功率的大小和方向。 图6.9则是当i0?0时，正组工作，反组停止工作。 38 i0?0时，反组工作，正组停止工作。 它只是把相控“整流”输出电压脉冲中的每个脉冲的平均值控制到按“正弦规律”变化，然后再把这一系列直流脉冲拼成一个近似的正弦波。 6.10 矩阵式交流-交流变频器的基本工作原理是什么？它有些什么优缺点？ 答：原理：6.11（a）中共用了 9个双向自动关断开关器件：当TAb导通时交流电源A相电压接到负载a相：交流电源B相电压接到负载a相，va(t)?vA(t)。TBa导通时，va(t)?vB(t)。 TCa导通时，va(t)?vC(t)；因此驱动TAa、TBa、TCa三个器件中的某一个导通，负载a 相电压va(t)可以是交流电源电压A、B、C三相中任一相的电压瞬时值。同理驱动TAb、TBb、 TCb中的某一个导通，可以使负载b相电压vb(t)是交流电源A、B、C三相中的任一相的电 压瞬时值。负载c相电压vc(t)也可以是交流电源A、B、C相中任一相的电压瞬时值。如果9个开关器件都是双向可控导电的开关，无论各相瞬时值为正或为负，都可使负载a、b、c三个相从交流电源或或处得到所需的电压瞬时值。因此对9个全控型开关器件进行高频SPWM控制，就可以在负载处得到频率和电压均可调控的三相互差 120的交流电压。 优点：矩阵式交流-交流变频器既是开关性质的交换器，其输入电流和输出电压都不可避免的有谐波。只有自关断器件在高频SPWM状态下工作，谐波阶次较高而已，故此只需在输入、输出端附加很小的LC滤波器，就能显著地改善输出电流和输出电压波形。至于输入电流的相移因数（基波功率因数cos?1），由于采用了自关断器件可以使cos?1为任意指令值。 缺点：对图6.11（a）中18个IGBT进行实时、适当的控制需要精确快速的检测三相交流电源电压、输出电压和三相负载电流，并构成被控量的全数字化反馈控制系统，才有可能实现快速精确的控制，获得优良的特性。 ? 39 40