第1章復(fù)習(xí)題及思考題解答

1.電力技術(shù)、電子技術(shù)和電力電子技術(shù)三者所涉及的技術(shù)內(nèi)容和研究對(duì)象是什么？三者的

技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用主要依賴什么電氣設(shè)備和器件？

答：電力技術(shù)涉及的技術(shù)內(nèi)容是發(fā)電、輸電、配電及電力應(yīng)用。其研究對(duì)象是發(fā)電機(jī)、

變壓器、電動(dòng)機(jī)、輸配電線路等電力設(shè)備，以及利用電力設(shè)備來處理電力電路中電能的產(chǎn)生、

傳輸、分配和應(yīng)用問題。其發(fā)展依賴于發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、輸配電系統(tǒng)。其理論基礎(chǔ)

是電磁學(xué)(電路、磁路、電場、磁場的基本原理)，利用電磁學(xué)基本原理處理發(fā)電、輸配電及

電力應(yīng)用的技術(shù)統(tǒng)稱電力技術(shù)。

電子技術(shù)，又稱為信息電子技術(shù)或信息電子學(xué)，其研究內(nèi)容是電子器件以及利用電子器

件來處理電子電路中電信號(hào)的產(chǎn)生、變換、處理、存儲(chǔ)、發(fā)送和接收等問題。其研究對(duì)象是

我有信息的弱電信號(hào)的變換和處理。其發(fā)展依賴于各種電子器件(二極管、三極管、MOS管、

集成電路、微處理器、電感、電容等)。

電力電子技術(shù)是一門綜合了電子技術(shù)、控制技術(shù)和電力技術(shù)的新興交叉學(xué)科。它涉及電

力電子變換和控制技術(shù)，包括電壓(電流)的大小、頻率、相位和波形的變換和控制。研究

對(duì)象是半導(dǎo)體電力開關(guān)器件及其組成的電力開關(guān)電路，包括利用半導(dǎo)體集成電路和微處理器

芯片構(gòu)成的信號(hào)處理和控制系統(tǒng)。電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用主要依賴于半導(dǎo)體電力開關(guān)器

件。

2.為什么三相交流發(fā)電機(jī)或公用電網(wǎng)產(chǎn)生的恒頻、恒壓交流電，經(jīng)電壓、頻率變換后再供

負(fù)載使用，有可能獲得更大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益？

答：用電設(shè)備的類型、功能千差萬別，對(duì)電能的電壓、頻率、波形要求各不相同。為了

滿足一定的生產(chǎn)工藝和流程的要求，確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低能源消耗、提高

經(jīng)濟(jì)效益，若能將電網(wǎng)產(chǎn)生的恒頻、恒壓交流電變換成為用電負(fù)載的最佳工況所需要的電壓、

頻率或波形，則有可能獲得更大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

例如：若風(fēng)機(jī)、水泵全部采用變頻調(diào)速技術(shù)，每年全國至少可以節(jié)省幾千萬噸的煤，或

者可以少興建千萬千瓦以上的發(fā)電站。若采用高頻電力變換器對(duì)熒光燈供電，不僅電-光轉(zhuǎn)

換效率進(jìn)一步提高、光質(zhì)顯著改善、燈管壽命延長3?5倍、節(jié)電50%,而且其重量僅為工

頻電感式鎮(zhèn)流器的10%。高頻變壓器重量、體積比工頻變壓器小得多，可以大大減小鋼、銅

的消耗量。特別在調(diào)速領(lǐng)域，與古老的變流機(jī)組相比，在鋼銅材消耗量、重量、體積、維護(hù)、

效率、噪音、控制精度和響應(yīng)速度等方面優(yōu)勢明顯。

3.開關(guān)型電力電子變換有哪四種基本類型？

答：有如下四種電力變換電路或電力變換器，如圖1.2所示：

(1)交流(AC)/直流(DC)整流電路或整流器；

(2)直流(DC)/交流(AC)逆變電路或逆變器；

(3)直流(DC)/直流(DC)電壓變換電路，又叫直口

旗

流斬波電路、直流斬波器；tt

ft

(4)交流(AC)/交流(AC)電壓和/或頻率變換電路:

僅改變電壓的稱為交流電壓變換器或交流斬波

器，頻率、電壓均改變的稱為直接變頻器。

4.圖1.6(a)所示的開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)DC/AC逆變變換的

圖1.2電力變換類型

基本原理是什么？從開關(guān)電路的輸出端C、D能否直

接獲得理想的正弦基波電壓？直流電源輸出到開關(guān)電路輸入端A、B的直流電流是否為無脈

動(dòng)連續(xù)的直流電流？

答：

(1)DC/AC逆變電路的可以采用三種控

制方案：A、180°方波；B、小于1800單

脈沖方波；C、PWM控制。基本原理分別如

下：

基本逆變電路

A、180°方波。當(dāng)要求輸出交流電的頻率(a)

為了時(shí)，在半周期772=1/2/內(nèi)使8、S4

導(dǎo)通，S2、S3阻斷，則逆變電路輸出電壓

vo=VCD=+7D；令隨后的T/2時(shí)間內(nèi)Sz、

S3導(dǎo)通，Si、Si阻斷，則逆變電路輸出電壓

為負(fù)的電源電壓(-%)。因此%是頻率為

/、幅值為與的交流方波電壓，如圖1.6(b)

所示。對(duì)％進(jìn)行傅里葉分解，得到其基波

電壓有效值為

匕=4^/及兀=2拉幾/兀，大小取決于

直流電源的電壓；基波角頻率

(d)PWM輸出電壓波形

(o=2itf=2n/T,取決于開關(guān)的工作頻

率。其中含有大量的高次諧波經(jīng)濾去后，負(fù)載可獲得正弦交流基波電壓4。

B、小于180°單脈沖方波。類似180。方波控制，但是僅在半周的一?部分時(shí)間7；0內(nèi)讓相

應(yīng)的開關(guān)導(dǎo)通，則%(%D)將是導(dǎo)電時(shí)間小于T/2,導(dǎo)電寬度角。小于冗的矩形波，如圖

Ayin7/2f)

1.6(c)所示進(jìn)行傅里葉分解，得到基波電壓有效值為匕=—^?一尸sin—=—兒?sin—

71<22712

或=—^sin(7i?；n/r),顯然，控制導(dǎo)通時(shí)間可以控制輸出電壓基波大小，而輸出

兀

電壓的頻率/仍取決于開關(guān)工作頻率。

C、若采用高頻開關(guān)PWM控制策略，則交流輸出電壓％為圖1.6(d)所示的脈沖寬度調(diào)制

(PWM)的交流電壓，輸出電壓波形％更接近正弦波且其中諧波電壓的頻率較高，只需要很

小的LC濾波就可得到正弦化的交流電壓。其性能遠(yuǎn)優(yōu)于單脈波的方波逆變方案。

(2)不能直接獲得理想的正弦基波電壓。

(3)是有脈動(dòng)非連續(xù)的直流電流，正因?yàn)檫@樣，所以在直流側(cè)串聯(lián)了4cd濾波器。

5.開關(guān)型電力電子變換器有那些基本特性？

答：

(1)變換器的核心是?組開關(guān)電路，開關(guān)電路輸出端電壓和開關(guān)電路輸入端電流都不可

能是理想的直流或無畸變的正弦基波交流，含有高次諧波；

(2)要改善變換電路的輸出電壓和輸入電流的波形，可以在其輸出、輸入端附加LC濾

波電路；但是最有效方法是采用高頻PWM控制技術(shù)；

(3)電力電子變換器工作時(shí)，開關(guān)器件不斷進(jìn)行周期性通、斷狀態(tài)的依序轉(zhuǎn)換，為使輸

出電壓接近理想的直流或正弦交流，一般應(yīng)對(duì)稱地安排一個(gè)周期中不同的開關(guān)狀態(tài)及持續(xù)時(shí)

間。因此對(duì)其工作特性的常用分析方法或工具是：開關(guān)周期平均值(狀態(tài)空間平均法)和傅

里葉級(jí)數(shù)。

6.開關(guān)型電力變換器有哪兩類應(yīng)用領(lǐng)域？說明開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器能輸出指令所

要求的任意頻率、波形的電壓、電流的基本原理。

答：

(1)開關(guān)型電力變換器按功能可分為兩大應(yīng)用領(lǐng)域：

A、開關(guān)型電力電子變換電源或簡稱開關(guān)電源，由半導(dǎo)體開關(guān)電路將輸入電源變換為另一種

電源給負(fù)載供電。這一類應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)十分廣泛。

B、開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器，它又分為電壓、電流(有功功率、無功功率)補(bǔ)償控制器

和阻抗補(bǔ)償控制器。它們或向電網(wǎng)輸出所要求的補(bǔ)償電壓或電流，或改變并聯(lián)接入、串

聯(lián)接入交流電網(wǎng)的等效阻抗，從而改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。這類應(yīng)用將

推進(jìn)電力系統(tǒng)的革命及電力電子技術(shù)的發(fā)展。

(2)開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器能輸出指令所要求的任意頻率、波形的電壓、電流的基本

原理如下：

圖1.10(a)電路中，周期性的控制4個(gè)開關(guān)管的通、斷狀態(tài)，在一個(gè)開關(guān)周期TK中，

可輸出圖1.10(b)所示的PWM矩形波電壓％⑺,在7；。=。5期間電壓

%B(/)=PD，在「期間VAB?)=0。在一個(gè)周期時(shí)期「中，%?)

的平均值為％=%-7；n/「=。%，即圖中矩形波電壓若開關(guān)管通、斷狀態(tài)轉(zhuǎn)

換的開關(guān)頻率人=1/金很高，即周期做很小，則實(shí)際輸出脈寬為11,，幅值為9的電壓

。的W?)與脈寬為微，幅值為平均值電壓。七(EfHG)都是歷時(shí)很短的脈沖電壓。

(a)???(b)977777

圖1.10開關(guān)型電力電子補(bǔ)償控制器

采樣控制理論中的脈沖量等效原理是：兩個(gè)波形不同的窄脈沖電壓力(。(LA/A7?)、

v2s(EFHG),只要在同一時(shí)期外中，其脈沖量積分值Jv(/)d/相等，則它們作用于同一

個(gè)慣性系統(tǒng)，如火L電路時(shí)的響應(yīng)是等效的，因此開關(guān)電路在整個(gè)開關(guān)周期/時(shí)期中輸出

的％(7)可等效為幅值為。匕，歷時(shí)7；的電壓瞬時(shí)值(EE〃G)。如果要求開關(guān)電路輸出圖

1.10(c)中心(/)所示波形的指令電壓，即在/=人瞬間指令電壓為由(々)，則在以灰點(diǎn)為

中心的一個(gè)開關(guān)周期外中，控制開關(guān)管的通、斷狀態(tài)及其導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間，使占空比

")=A=Q/即，平均電壓%⑺=%&)=爪)?匕＞=與工n/晨=K0K)，即幾周

期中的占空比。(/)=%?K)/%，以此控制圖LIO(a)中Si、S2、S3、S4的通斷狀態(tài)，

使7；n=O(/)?晨，Ta(r=[l-D(t)]TK,即可使輸出電壓跟蹤任意頻率、波形、相位的指令

電壓值心(/)。

采用圖1.10(a)所示開關(guān)型變流器也能向電網(wǎng)輸出任意波形的指令電流為此,

原理上只要在控制系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)電流閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)檢測輸出電流i0(7)并與指令值

(/)相比較，將差值A(chǔ)/=z；(/)-zo(/)經(jīng)電流調(diào)節(jié)器輸出一個(gè)控制電壓〃，調(diào)控占空比。，

當(dāng)，。(/)＜，；(/)時(shí)，控制電壓匕增大，使。增大，導(dǎo)致七⑺加大，加大，使/。⑺跟

蹤，；(/),達(dá)到，0(/)=1(/)。反之，當(dāng)，o(/)＞i：Q)時(shí)，控制電壓%減小，使占空比。減小，

匕(。減小，密/)減小，j°(/)跟蹤指令值氯Z),達(dá)到=因此，只要根據(jù)指令

電流W。)的正、負(fù)數(shù)值，實(shí)時(shí)、適式地調(diào)控各開關(guān)管的通、斷狀態(tài)及相應(yīng)的占空比。值，

就可使開關(guān)電路輸出指令所要求的任意頻率、波形、相位的電流

第2章復(fù)習(xí)題及思考題解答

1.說明半導(dǎo)體PN結(jié)單向?qū)щ姷幕驹砗挽o態(tài)伏-安特性。

答：PN結(jié)——半導(dǎo)體二極管在正向電壓接法下（簡稱正偏），外加電壓所產(chǎn)生的外電場

紇與內(nèi)電場耳方向相反，因此PN結(jié)的內(nèi)電場被削弱。內(nèi)電場片所引起的多數(shù)載流子的漂

移運(yùn)動(dòng)被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻力減小了，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)超過了反方向的漂移運(yùn)動(dòng)。

大量的多數(shù)載流子能不斷地?cái)U(kuò)散越過交界面，P區(qū)帶正電的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)帶負(fù)電的

電子向P區(qū)擴(kuò)散。這些我流子在正向電壓作用下形成二極管正向電流。二極管導(dǎo)電時(shí)，其

PN結(jié)等效正向電阻很小，管子兩端正向電壓降僅約IV左右（大電流硅半導(dǎo)體電力二極管超

過IV,小電流硅二極管僅0.7V,錯(cuò)二極管約0.3V）。這時(shí)的二極管在電路中相當(dāng)于一個(gè)處

于導(dǎo)通狀態(tài)（通態(tài)）的開關(guān)。PN結(jié)——半導(dǎo)體二極管在反向電壓接法下（簡稱反偏）外加

電壓所產(chǎn)生的外電場紇與原內(nèi)電場g方向相同。因此外電場使原內(nèi)電場進(jìn)一步增強(qiáng)。多數(shù)

載流子（P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子）的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)更難于進(jìn)行。這時(shí)只有受光、熱激發(fā)而產(chǎn)生

的少數(shù)載流子（P區(qū)的少數(shù)載流子電子和N區(qū)的少數(shù)載流子空穴）在電場力的作用下產(chǎn)生漂

移運(yùn)動(dòng)。因此反偏時(shí)二極管電流極小。在一定的溫度下，二極管反向電流”在一定的反向

電壓范圍內(nèi)不隨反向電壓的升高而增大，為反向飽和電流人。因此半導(dǎo)體PN結(jié)呈現(xiàn)出單向

導(dǎo)電性。其靜態(tài)伏-安特性曲線如圖2.3曲線①所示。但實(shí)際二極管靜態(tài)伏-安特性為圖2.3

的曲線②。二極管正向?qū)щ姇r(shí)必須外加電壓超過一定的門坎電壓匕h（又稱死區(qū)電壓），當(dāng)外

加電壓小于死區(qū)電壓時(shí)，外電場還不足以削弱PN結(jié)內(nèi)電場，因此正向電流兒乎為零。硅二

極管的門坎電壓約為0.5V,錯(cuò)二極管約為0.2V,當(dāng)外加電壓大于幾后內(nèi)電場被大大削弱，

電流才會(huì)迅速上升。二極管外加反向電壓時(shí)僅在當(dāng)外加反向電壓腺不超過某一臨界擊穿電

壓值，BR時(shí)才會(huì)使反向電流。保持為反向飽和電流人。實(shí)際二極管的反向飽和電流人是很

小的，但是當(dāng)外加反向電壓/超過%BR后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加。

2.說明二極管的反向恢復(fù)特性。

答：山于PN結(jié)間存在結(jié)電容C,二極管從導(dǎo)通狀態(tài)（C值很大存儲(chǔ)電荷多）轉(zhuǎn)到截止

阻斷狀態(tài)忖，PN結(jié)電容存儲(chǔ)的電荷。并不能立即消失，二極管電壓仍為與七1?2V,二極

管仍然具有導(dǎo)電性，在反向電壓作用下，反向電流從零增加到最大值，反向電流使存儲(chǔ)電荷

逐漸消失，二極管兩端電壓匕降為零。這時(shí)二極管才恢復(fù)反向阻斷電壓的能力而處于截止

狀態(tài)，然后在反向電壓作用下，僅流過很小的反向飽和電流右。因此，二極管正向?qū)щ婋?/p>

流為零后它并不能立即具有阻斷反向電壓的能力，必須再經(jīng)歷一段反向恢復(fù)時(shí)間（后才能

恢復(fù)其阻斷反向電壓的能力。

3.說明半導(dǎo)體電力三極管BJT處于通態(tài)、斷態(tài)的條件。

答：電力三極管BJT處于通態(tài)的條件是：注入三極管基極的電流4大于基極飽和電流

ZBS（已知三極管的電流放大系數(shù)尸，有/BS=，CS/￡）。這時(shí)三極管導(dǎo)電性很強(qiáng)而

處于最小等效電阻、飽和導(dǎo)電狀態(tài)，可以看作是一個(gè)閉合的開關(guān)。BJT處于斷態(tài)的條件是：

基極電流?為零或是施加負(fù)基極電流，即'W0。這時(shí)BJT的等效電阻近似為無限大而處

于斷態(tài)。

4.電力晶體管BJT的四個(gè)電壓值6%EX、B&、和的定義是什么？其大小

關(guān)系如何？

答：B&、B&、8幾ER和8〃EO分別為不同基極狀態(tài)下的三極管集-射極擊穿電

壓值；8%EX為基極反偏時(shí)，三極管集-射極擊穿電壓值：8%ES為基極短接、基極電壓為

0時(shí)，三極管集-射極電壓擊穿值；8%ER為基極接有電阻短路時(shí)的集-射極擊穿電壓值；

B〃EO為基極開路時(shí)集-射極擊穿電壓值。

其大小關(guān)系為：BJ^CEX>B%ES>8%ER>BVCEC°

5.說明晶閘管的基本工作原理。在哪些情況下，晶閘管可以從斷態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥☉B(tài)？已處于

通態(tài)的晶閘管，撤除其驅(qū)動(dòng)電流為什么不能關(guān)斷，怎樣才能關(guān)斷晶閘管？

答：基本工作原理見課本P36-37：應(yīng)回答出承受正向壓、門極加驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的管子內(nèi)

部的正反饋過程，使不斷增大，最后/A很大，晶閘管變成通態(tài)；撤去

門極電流后由于%+a,之1,仍可使〃=一4——很大，保持通態(tài)。

■1-3+%)

有多種辦法可以使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)。常用的辦法是門極觸發(fā)導(dǎo)通和光注入導(dǎo)

通。另外正向過電壓、高溫、高的dv/d/都可能使晶閘管導(dǎo)通，但這是非正常導(dǎo)通情況。要

使晶閘管轉(zhuǎn)入斷態(tài)，應(yīng)設(shè)法使其陽極電流減小到小于維持電流通常采用使其陽極A與

陰極K之間的電壓以K為零或反向。

6.直流電源電壓％=220V,經(jīng)晶閘管T對(duì)負(fù)載供電。負(fù)載電阻R=20。，電感Z.=1H,晶

閘管擎住電流人=55"，維持電流/H=22IDA,用一個(gè)方波脈沖電流觸發(fā)晶閘管。試計(jì)算：

(1)如果負(fù)載電阻R=20。，觸發(fā)脈沖的寬度為300ns,可否使晶閘管可靠地開通？

⑵如果晶閘管已處于通態(tài)，在電路中增加一個(gè)IkQ的電阻能否使晶閘管從通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)？

⑶為什么晶閘管的擎住電流人比維持電流。大？

答：

(1)設(shè)晶閘管開通：L皿+必(/)=匕，由此可解出：當(dāng)/=300us時(shí)，

d/

i(t)=65.8mA>lL=55mA,所以可以使晶閘管可靠導(dǎo)通。

(2)加入IkQ電阻后，有/=/一=215.7mA>'=22mA,不能使晶閘管由通態(tài)轉(zhuǎn)入

R+R'H

斷態(tài)。

(3)擎住電流和維持電流都是在撤去門極驅(qū)動(dòng)電流的條件下定義的，因此陽極電流

1=一b一。但維持電流是在通態(tài)時(shí)考慮的，此時(shí)晶閘管已工作在較大電流狀態(tài)下，

l-(a,+a2)

管內(nèi)結(jié)溫較高，此時(shí)的PN結(jié)漏電流隨結(jié)溫增大、導(dǎo)通能力強(qiáng)，因此必須要降低，才能

關(guān)斷晶閘管；而擎住電流是在斷態(tài)向通態(tài)變化時(shí)定義的，開始有驅(qū)動(dòng)信號(hào)但未完全導(dǎo)通時(shí)，

晶閘管工作時(shí)間短、結(jié)溫低，PN結(jié)漏電流不大，導(dǎo)通能力弱，需要較大的陽極電流才能

使其導(dǎo)通。

7.額定電流為10A的晶閘管能否承受長期通過15A的直流負(fù)載電流而不過熱？

答：額定電流為10A的晶閘管能夠承受長期通過15A的直流負(fù)載電流而不過熱。因?yàn)榫?/p>

閘管的額定電流人是這樣定義的：在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的散熱冷卻條件下，晶閘管在

電阻性負(fù)載的單相、工頻正弦半波導(dǎo)電、結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125℃時(shí)、所對(duì)應(yīng)的通態(tài)平均電

流值。這就意味著晶閘管可以通過任意波形、有效值為1.570的電流，其發(fā)熱溫升正好是

允許值，而恒定直流電的平均值與有效值相等，故額定電流為10A的晶閘管通過15.7A的直

流負(fù)載電流，其發(fā)熱溫升正好是允許值。

8.說明GTO的關(guān)斷原理。

答：在GTO的設(shè)計(jì)制造時(shí)，等效晶體管7；的集電極電流分配系數(shù)％較大。當(dāng)GTO處于

通態(tài)時(shí)，突加一個(gè)負(fù)觸發(fā)電流-｛，使%減小，『見變大，人急劇減小，就是陽極電流

4急劇減小，又導(dǎo)致電流分配系數(shù)的和%減小，使為急劇減小，又使4、4減小。在

這種循環(huán)不己的正反饋?zhàn)饔孟?，最終導(dǎo)致GTO陽極電流減小到維持電流以下，GTO從通態(tài)轉(zhuǎn)

入斷態(tài)。

9.說明P-MOSFET柵極電壓％$控制漏極電流兒的基本原

理。

答：當(dāng)右圖中P-MOSFET漏-源極間電壓為零、柵一

源極之間電壓％s也為零時(shí)，N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體之間

要形成PN結(jié)空間電荷區(qū)（耗盡層）阻擋層，此時(shí)G-S之間

和D-S之間都是絕緣的。當(dāng)漏極D與源極S之間有外加電壓

匕）s時(shí)，如果柵極、源極外加電壓％s=°，由于漏極D（乂）與源極SIN?）之間是兩個(gè)背靠背

的PN結(jié)（PN-PN2）,無論％$是正向電壓還是負(fù)向電壓，都有一個(gè)PN結(jié)反偏，故漏-源

極之間也不可能導(dǎo)電。當(dāng)柵、源極之間外加正向電壓Zs>0時(shí)，在G-P之間形成電場，

在電場力的作用下P區(qū)的電子移近G極,或者說柵極G的正電位吸引P區(qū)的電子至鄰近柵極

的一側(cè)，當(dāng)匕3s增大到超過某一值值時(shí)，N1和N,中間地區(qū)靠近G極處被G極正電位所

吸引的電子數(shù)超過該處的空穴數(shù)以后,柵極下面原空穴多的P型半導(dǎo)體表面就變成電子數(shù)目

多的N型半導(dǎo)體表層,柵極下由柵極正電位所形成的這個(gè)N型半導(dǎo)體表層感生了大量的電子

載流子，形成一個(gè)電子濃度很高的溝道（稱為N溝道），這個(gè)溝道將乂和生兩個(gè)N區(qū)聯(lián)在

一起，又使Nf這個(gè)被反偏的PN結(jié)4消失，成為漏極D和源極S之間的導(dǎo)電溝道，一旦漏

-源之間也有正向電壓七s，就會(huì)形成漏極電流4。在Ls=。時(shí)，％$不能產(chǎn)生電流，4=°，

僅在％s增大到％s=%sth以后，才使G-P之間的外電場增強(qiáng)，形成自由電子導(dǎo)電溝道，才

能產(chǎn)生漏極電流這種改變柵極G和源極S之間外加電壓％s，即可控制漏極電流4的

作用稱為電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。

10.作為開關(guān)使用時(shí)P-M0SFET器件主要的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？

答：作為開關(guān)使用時(shí)，PT0SFET器件的優(yōu)點(diǎn)是：輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、驅(qū)動(dòng)電路

簡單、工作頻率高；其缺點(diǎn)是：通態(tài)壓降大（通態(tài)損耗大），電壓、電流定額低。

11.列表比較BJT、SCR、GTO、P-MOSFET.IGBT、MCT六種可控開關(guān)器件對(duì)觸發(fā)（或驅(qū)動(dòng)）

電流（或電壓）波形的要求，及主要優(yōu)缺點(diǎn)。

答：

BJT、SCR,GTO,P-MOSFET、IGBT、MCT的對(duì)比

開關(guān)頻單極或

器彳牛對(duì)觸發(fā)信號(hào)波形的要求主要優(yōu)點(diǎn)主要缺點(diǎn)

率雙極

BJT

正持續(xù)基極電流控制開通：通態(tài)壓降小，通驅(qū)動(dòng)功率

（電流型中雙極

基極電流為0則關(guān)斷態(tài)損耗小大；頻率低

全控器件）

SCR

正脈沖門極電流控制開通；通態(tài)壓降小，通驅(qū)動(dòng)功率

（電流型低雙極

觸發(fā)信號(hào)不能控制關(guān)斷態(tài)損耗小大，頻率低

半控器件）

GTO正脈沖門極電流控制開通；低雙極通態(tài)壓降小，通驅(qū)動(dòng)功率

（電流型負(fù)脈沖門極電流（較大）控制態(tài)損耗小大，頻率低

全控器件）關(guān)斷

輸入阻抗高，驅(qū)通態(tài)壓降大

P-MOSFET正持續(xù)柵極電壓控制開通；

動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)（通態(tài)損耗

（電壓型全負(fù)持續(xù)柵極電壓控制并保持高單極

電路簡單，工作大）;電壓、

控器件）關(guān)斷

頻率高電流定額低

輸入阻抗高，驅(qū)

TGBT正持續(xù)柵極電壓控制開通；通態(tài)壓降大

動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)

（電壓型負(fù)持續(xù)柵極電壓控制并保持較高雙極（通態(tài)損耗

電路簡單，工作

全控器件）關(guān)斷大）

頻率高

較高輸入阻抗高，驅(qū)

MCT通態(tài)壓降大

正脈沖電壓控制開通；（低動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)

（電壓型雙極（通態(tài)損耗

負(fù)脈沖電壓控制關(guān)斷于電路簡單，工作

全控器件）大）

IGBT）頻率高

12.21世紀(jì)電力電子開關(guān)器件最可能的重大技術(shù)發(fā)展是什么？

答：21世紀(jì)電力電子開關(guān)器件最可能的重大技術(shù)發(fā)展是將半導(dǎo)體電力開關(guān)器件與其驅(qū)

動(dòng)、緩沖、監(jiān)測、控制和保護(hù)等所有硬件集成一體，構(gòu)成一個(gè)功率集成電路PIC。PIC器件

把電力電子變換和控制系統(tǒng)中盡可能多的硬件以芯片的形式封裝在一個(gè)模塊內(nèi)，使之不再有

額外的引線連接，不僅極大地方便了使用，而且能大大降低系統(tǒng)成本、減輕重量、縮小體積,

把寄生電感減小到幾乎為零，大大提高電力電子變換和控制的可靠性。PIC實(shí)現(xiàn)了電能與信

息的集成，如果能妥善解決PIC內(nèi)部的散熱、隔離等技術(shù)難題，PIC將使電力電子技術(shù)發(fā)生

革命性的變化。

第3章復(fù)習(xí)題及思考題解答

1.直流/直流電壓變換中開關(guān)器件的占空比。是什么？推證圖3.1(c)所示脈寬時(shí)間為

Ton.脈寬角度為。、周期為心、幅值為匕的方波脈沖電壓％(/)的直流平均值及各次諧波

的幅值。

<C>網(wǎng)動(dòng)信號(hào)及愉出波形

圖3.1Buck變換器電路結(jié)構(gòu)及降壓

答：占空比。是開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間Ton與開關(guān)周期7；的比值。

圖3.1(c)中方波脈沖電壓%(7)可以表示為如下傅里葉表達(dá)式：

%(&)=。七+Z—sin(〃。兀)?cos(〃&),其中常數(shù)項(xiàng)為直流平均值，即七二。/，各

余弦項(xiàng)為各次諧波，其幅值為：an=3^sin(〃2)=32sin(〃Z)7r)。

rm2rm

2.脈沖寬度調(diào)制PWM和脈沖頻率調(diào)制PFM的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？

答:脈沖寬度調(diào)制方式PWM,保持既不變(開關(guān)頻率不變)，改變圖,調(diào)控輸出電壓外;

脈沖頻率調(diào)制方式PFM,保持7；°不變，改變開關(guān)頻率或周期調(diào)控輸出電壓匕。

實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用PWM方式。因?yàn)椴捎枚lPWM開關(guān)時(shí)，輸出電壓中諧波的頻率固定,

濾波器設(shè)計(jì)容易，開關(guān)過程所產(chǎn)生電磁干擾容易控制。此外由控制系統(tǒng)獲得可變脈寬信號(hào)比

獲得可變頻率信號(hào)容易實(shí)現(xiàn)。但是在諧振軟開關(guān)變換器中為了保證諧振過程的完成，采用

PFM控制較容易實(shí)現(xiàn)。

3.Buck變換器中電感電流的脈動(dòng)和輸出電壓的脈動(dòng)與哪些因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以解

釋。

答：電感電流的脈動(dòng)量與電感量乙、開關(guān)頻率入、輸入電壓右、輸出電壓七有關(guān)，輸

出電壓的脈動(dòng)量與電感量工、電容量C、開關(guān)頻率人、輸出電壓/有關(guān)。電感量4、電容

量。越大其濾波效果越好，而開關(guān)頻率人越高，濾波電感的交流阻抗。乙就越大，它對(duì)直

流電壓的阻抗基本為0,同時(shí)濾波電容的交流阻抗1/oC越小。

4.Buck變換器斷流工況下的變壓比M與哪些因數(shù)有關(guān)，試從物理上給以解釋。

答：Buck變換器在電流斷續(xù)工況下其變壓比〃不僅與占空比。有關(guān)，還與負(fù)載電流/。

的大小、電感丁開關(guān)頻率人以及電壓力等有關(guān)。

5.圖3.2(a)、3.5(a)電路穩(wěn)態(tài)時(shí)在一個(gè)開關(guān)周期中，電感電流的增量八人=。，電感L的

磁通增量是否為零，為什么？電容C的電流平均值為零，電容C端電壓的增量是否為零，

為什么？

答：電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流的增量A4=0,同時(shí)電感L的磁通

增量4a=0,因?yàn)槿绻麄€(gè)周期內(nèi)電感的磁通增量4#片0,那么電感上的磁通將無法復(fù)位,

也即電感上的能量不斷累積，最終將達(dá)到飽和，甚至燒毀電感，所以穩(wěn)態(tài)工作時(shí)應(yīng)使一個(gè)開

關(guān)周期內(nèi)電感。的磁通增量43=0。電容。的電流平均值為0,那么電容C端電壓的增量

也為0,因?yàn)榉€(wěn)態(tài)時(shí)一個(gè)周期內(nèi)電容上的充電電荷等于放電電荷，即電容上電荷增量/。=0,

而電容端電壓增量△%=/，故電容。端電壓的增量也為o。

cC

圖鬣2(a)

6.Buck變換器中電流臨界連續(xù)是什么意思？當(dāng)負(fù)載電壓七、電流一定時(shí)在什么條件

下可以避免電感電流斷流？

答：Buck變換器中電感電流臨界連續(xù)是指處于電感電流連續(xù)和電感電流斷流兩種工況

的臨界點(diǎn)的工作狀態(tài)。這時(shí)在開關(guān)管阻斷期結(jié)束時(shí)，電感電流剛好降為零。當(dāng)負(fù)載電壓又、

電流一定時(shí)增大電感量￡和提高開關(guān)頻率八都可以避免電感電流斷流。

7.開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)直流升壓變換的基本原理是什么？

答：為了獲得高于電源電壓匕的直流輸出電壓七，

一個(gè)簡單而有效的辦法是在變換器開關(guān)管前端插入?個(gè)

電感乙如右圖所示。在開關(guān)管T關(guān)斷時(shí)，利用圖中電感

線圈工在其電流減小時(shí)所產(chǎn)生的反電勢牝(在電感電流減

小時(shí)，=-〃!)/也為正值)，將此電感反電勢與電

源電壓匕串聯(lián)相加送至負(fù)載，則負(fù)載就可獲得高于電源電壓右的直流電壓%,從而實(shí)現(xiàn)直

流升壓變換。

8.Boost變換器為什么不宜在占空比。接近1的情況下工作？

答：因?yàn)樵贐oost變換器中，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電源與負(fù)載脫離，其能量全部儲(chǔ)存在電感

中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，能量才從電感中釋放到負(fù)載。如果占空比。接近于1,那么開關(guān)接近

于全導(dǎo)通狀態(tài)，幾乎沒有關(guān)斷時(shí)間，那么電感在開關(guān)管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存的能量沒有時(shí)間釋放，

將造成電感飽和，直至燒毀。因此Boost變換器不宜在占空比。接近1的情況下工作。同

時(shí)，從Boost變換器在電感電流連續(xù)工況時(shí)的變壓比表達(dá)式"=%/匕=1/(1—。)也可以

看出，當(dāng)占空比。接近1時(shí)，變壓比M接近于無窮大，這顯然與實(shí)際不符，將造成電路無

法正常工作。

9.升壓-降壓變換器（Cuk變換器）的工作原理及主要優(yōu)點(diǎn)是什么？

答：Cuk變換器在一個(gè)開關(guān)周期中，期間，令開關(guān)管丁導(dǎo)通，這時(shí)電源經(jīng)電感乙和

T短路，4電流線性增加，電源將電能變?yōu)殡姼?儲(chǔ)能，與此同時(shí)電容G經(jīng)T對(duì)G及負(fù)載

放電，并使電感4電流增大而儲(chǔ)能。在隨后的1卜期間，開關(guān)管T阻斷，電感4電流經(jīng)電

容G及二極管D續(xù)流，此時(shí)，電感人也經(jīng)D續(xù)流，4的磁能轉(zhuǎn)化為電能對(duì)負(fù)載供電。Cuk

變換器的優(yōu)點(diǎn)是僅用一個(gè)開關(guān)管使電路同時(shí)具有升、降壓功能；而且該變換器輸入輸出電流

脈動(dòng)小。

10.如何理解Cuk變換器中間電容電壓片等于電源電壓人與負(fù)載電壓％之和，即

答：電感電壓乙=<1夕/山=￡山/山，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，一個(gè)開關(guān)周期7；中電感乙、人電

流增量為零，磁鏈增量為零，電感兩端電壓的直流平均值為零。因此Cuk電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可

直接得到直流平均電壓=七+七。

11.直流/直流四象限變換器的四象限指的是什么？直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的四象限指的

是什么？這兩種四象限有什么對(duì)應(yīng)關(guān)系？

⑶困象限近流-三流變換電as<b>第一、第二兩象限變換電（。第三、第閃兩象B!交換電熟

第一象B!

以如）>。

心（必）通斷轉(zhuǎn)換，KAB=（1-D）^.乙>0,%=0

%（D?）通斯轉(zhuǎn)換，/疝=D%,rA>o,rB=o.

喙a為iE值，N為正值，電施從B-A,/“B為負(fù)為正俗.N為正值，電而從A—B,為丑

V.J,

位，7；為女值，T萬?不萬值，7；為正值，喙B>與，%B=D%

第四象限

N（/AIJ）VO

WABAO

T?（D,）通期轉(zhuǎn)換,％=（.￡>）%,!>0,〃=0

T^D4）通新轉(zhuǎn)換，&=。匕-%>。，〃-0-

喙B為負(fù)值，，丫為負(fù)值?電流從A—B,正

k為負(fù)值，N為負(fù)優(yōu)電加從B-A,B為負(fù)

/AK.j,E,

億為負(fù)電

7；KnA>￡,.值，T.為iE值，KBA<丁萬^行

國3.9四級(jí)限直面-直通受帙整對(duì)直近電視電電供電

答：直流/直流四象限變換器的四象限指的是變換器的輸出電壓以B'輸出電流，AB均可

正可負(fù)的四種組合。

直流電機(jī)四象限運(yùn)行中的四象限指的是電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩可正可負(fù)的四種組合。對(duì)

于電機(jī)的轉(zhuǎn)速有：N=旦=嚷一三人；對(duì)于電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩7；：

K，Ke(pKe(p

北=勺夕?幾。

在勵(lì)磁電流不變、磁通。不變時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩大小和方向由右B、，AB決定。

通過改變以B的大小及/,,B的大小和方向，調(diào)控電機(jī)在正方向下旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)

矩7；的大小和方向，既可使直流電機(jī)在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下變速運(yùn)行亦可在發(fā)電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)下變

速運(yùn)行。因此直流/直流四象限變換器的四象限和直流電機(jī)運(yùn)行中的四象限之間存在一一對(duì)

應(yīng)的關(guān)系，如圖3.9(d)所示。

12.多重、多相直流/直流變換器中，多重(重?cái)?shù)相>1),多相(相數(shù)〃>1)指的是什么

意義？多重、多相變換器的優(yōu)點(diǎn)是什么？

答：假定變換器中每個(gè)開關(guān)管通斷周期都是7；,多重(重?cái)?shù)相>1)是指：在一個(gè)4周

期中變換器負(fù)載電流脈動(dòng)機(jī)次即1。(/)脈動(dòng)頻率為啾。多相(相數(shù)〃>1)

是指：在一個(gè)7；周期中變換器電源側(cè)電流氧/)脈動(dòng)〃次，即晨。脈動(dòng)頻率為“/s。多重、

多相變換器的優(yōu)點(diǎn)是：其輸出電壓、輸入電流脈動(dòng)頻率比單個(gè)變換電路成倍地提高，因而可

以顯著改善變換器輸入、輸出特性或者減少變換器對(duì)ZC濾波器重量體積的要求，同時(shí)多重、

多相復(fù)合變換器還能擴(kuò)大變換器的輸出容量。

13.說明單端正激、單端反激DC/DC變換器工作原理。

答：單端正激DC/DC變換器從電路結(jié)構(gòu)、工作原理上可以看出它是帶隔離變壓器的Buck

電路，如圖3.11(b)所示，開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)經(jīng)變壓器將電源能量直送負(fù)載被稱為正激。但是

匝比乂/乂不同時(shí)，輸出電壓平均值七可以低于也可高于電源電壓右。變壓器磁通只在

單方向變化被稱為單端。

圖3.12(b)所示為單端反激DC/DC變換器，T導(dǎo)通期間，電源電壓右加至乂繞組，電

流彳直線上升、電感乙儲(chǔ)能增加，副方繞組"Z的感應(yīng)電勢eDF<0,二極管口截止，負(fù)載

電流由電容C提供，C放電；在T阻斷的期間，乂繞組的電流轉(zhuǎn)移到義2,感應(yīng)電勢CDF>。

(反向?yàn)檎?，使口導(dǎo)電，將磁能變?yōu)殡娔芟蜇?fù)載供電并使電容C充電。該變換器在開關(guān)

管T導(dǎo)通時(shí)并未將電源能量直送負(fù)載,僅在T阻斷的期間才將變壓器電感磁能變?yōu)殡娔芩椭?/p>

負(fù)載故稱之為反激，此外變壓器磁通也只在單方向變化，故該電路被稱為單端反激DC/DC

變換器。

(b)單斷反激變換器

(b)單端正激DC/DC變換器

圖3.11Buck變換器和單端正激DCDC變換器圖3.12Buck-Boost變換器和單端反激DC/DC變換器

14.具有中間交流環(huán)節(jié)變壓器隔離的半橋、全橋和推挽型DC/AC-AC/DC變換器各有哪些優(yōu)

點(diǎn)？

答：三種變換器都有高頻隔離變壓器，輸入輸出側(cè)實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，高頻變壓器體積、

重量小；輸出LC濾波器主要濾除高頻諧波，LC濾波器比較?。恢麟娐犯哳l開關(guān)可以采用

軟開關(guān)工作模式，從而減小開關(guān)損耗：輸出既可以實(shí)現(xiàn)升壓又可以實(shí)現(xiàn)降壓，電壓調(diào)控范圍

免。

第4章復(fù)習(xí)題及思考題解答

1.逆變器輸出波形的諧波系數(shù)族與畸變系數(shù)。/有何區(qū)別？為什么僅從諧波系數(shù)〃尸

還不足以說明逆變器輸出波形的品質(zhì)？

答：第"次諧波系數(shù)為第〃次諧波分量有效值同基波分量有效值之比，即

16

HFn=匕/匕；總諧波系數(shù)THD定義為:THD=-￡4；畸變系數(shù)。/定義為:

匕，“=2,3,4

DF=L,對(duì)于第〃次諧波的畸變系數(shù)有:

匕

諧波系數(shù)族顯示了諧波含量，但它并不能反映諧波分量對(duì)負(fù)載的影響程度。很顯然，

逆變電路輸出端的諧波通過濾波器時(shí)，高次諧波將衰減得更厲害，畸變系數(shù)。/可以表征經(jīng)

LC濾波后負(fù)載電壓波形還存在畸變的程度。

2.為什么逆變電路中晶閘管SCR不適于作開關(guān)器件？

答：

(1)逆變電路中一般采用SP榭控制方法以減小輸出電壓波形中的諧波含量，需要開關(guān)器件

工作在高頻狀態(tài)，SCR是一種低頻器件，因此不適合這種工作方式。

(2)SCR不能自關(guān)斷。而逆變器的負(fù)載一般是電感、電容、電阻等無源元件，除了特殊場

合例如利用負(fù)載諧振進(jìn)行換流，一般在電路中需要另加強(qiáng)迫關(guān)斷回路才能關(guān)斷SCR,電路

較復(fù)雜。因此SCR一般不適合用于逆變器中。

3.圖4.2(a)和4.3(a)中的二極管起什么作用，在一個(gè)周期中二極管和三極管導(dǎo)電時(shí)間由

什么因素決定，在什么情況下可以不用二極管。？純感性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流為什么是三角

形？

圖4.2單相半橋逆變電路及電壓、電流波形圖4.3單相橋式逆變電路及電壓、電流波形

答：圖中二極管起續(xù)流和箝位作用，在一個(gè)周期中二極管和晶體管導(dǎo)電時(shí)間由三極管驅(qū)

動(dòng)信號(hào)和負(fù)載電流乙的方向共同決定，在純阻性負(fù)載時(shí)可以不用二極管。.

1?

純電感負(fù)載時(shí)，=(或匕n)，在0<1/2期間，對(duì)于全橋逆變電路有

vab=Vn，對(duì)半橋電路vm=Vn/2,z；線性上升;在7；/2W/<7；期間，全橋電路匕b=-匕，

半橋有％,=-幾/2,線性下降；故電流乙是三角波。

4.有哪些方法可以調(diào)控逆變器的輸出電壓。

答：有單脈波脈寬調(diào)制法、正弦脈寬調(diào)制法（SPWM）、基波移相控制法等。單脈波脈寬

調(diào)制法缺點(diǎn)是諧波含量不能有效控制；SPWM法既可控制輸出電壓的大小，又可消除低次諧

波；移相控制般用于大功率逆變器。

5.SPWM的基本原理是什么？載波比N和電壓調(diào)制系數(shù)M的定義是什么？在高頻載波電壓

幅值七”和頻率，恒定不變時(shí),改變調(diào)制參考波電壓幅值Vm和頻率,/；為什么能改變逆變器

交流輸出基波電壓匕的大小和基波頻率/？如果要改變輸出基波的相位應(yīng)該如何調(diào)控？

答：正弦脈寬調(diào)制SPWM的基本原理是沖量等效原理：大小、波形不相同的窄變量作用

于慣性系統(tǒng)時(shí)，只要其沖量即變量對(duì)時(shí)間的積分相等，其作用效果基本相同。如果將正弦波

周期分成多個(gè)較小的時(shí)間段，使PWM電壓波在每一時(shí)間段都與該段的正弦電壓沖量相等，則

不連續(xù)的按正弦規(guī)律改變寬度的多段波電壓就等效于正弦電壓。

載波比N定義為三角載波頻率/和正弦調(diào)制波頻率/之比：N=工//；電壓調(diào)制系

數(shù)"是正弦調(diào)制波幅值曦和三角波幅值曦之比M=曦/曦。

A/W1,改變調(diào)制比M，即可成比例的調(diào)控輸出電壓的基波大

小。又因?yàn)楣?工,所以改變調(diào)制波頻率/,即可調(diào)控輸出電壓的基波頻率工，改變調(diào)制

波電壓幅值囁，可以改變調(diào)制比M,從而可以改變交流輸出基波電壓匕的大小。如果要改

變輸出基波的相位，僅需改變正弦調(diào)制波的相位即可。

6.SPWM調(diào)制中，設(shè)載波比遠(yuǎn)大于基波頻率且不過調(diào)制。當(dāng)調(diào)制比相同但載波比不同時(shí)，兩

種情況下逆變器輸出基波電壓是否有所不同？哪種情況下輸出電壓的諧波頻率更低？

答：SPWM調(diào)制中，當(dāng)載波比遠(yuǎn)大于基波頻率且不過調(diào)制，如果調(diào)制比相同但載波比不

同時(shí):由于匕m=W，因此兩種情況下輸出基波電壓是一致的。但是兩種情況下輸出電壓

的諧波是有差異的，而且較小載波比對(duì)應(yīng)的輸出電壓諧波頻率更低。

7.SPWM出現(xiàn)過調(diào)制時(shí)，其輸出電壓有哪些特點(diǎn)？

答：對(duì)于SPWM,當(dāng)出現(xiàn)過調(diào)制時(shí)，對(duì)應(yīng)的調(diào)制比”>1,此時(shí)正弦調(diào)制波幅值超過三

角載波幅值，可能在多個(gè)載波周期內(nèi)都和三角波沒有交點(diǎn)，開關(guān)頻率會(huì)急劇下降，同時(shí)等效

調(diào)制波不再是原來的理想正弦波，而是在正弦波峰處出現(xiàn)平頂?shù)牟ㄐ危捎?/p>

Km=MVd=（囁，/曦,）匕，因此逆變器輸出電壓波形也是正弦波峰處出現(xiàn)平頂?shù)牟ㄐ?，?/p>

波形含有很多低頻諧波分量，當(dāng)然對(duì)應(yīng)的輸出電壓基波分量比沒有過調(diào)制時(shí)要大一些。

8.為什么在載波比較低的應(yīng)用中希望用同步調(diào)制？

答：進(jìn)行SPWM調(diào)制時(shí)，通常令載波比為整數(shù)，這種調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。當(dāng)載波比

不是整數(shù)時(shí)，稱為異步調(diào)制。在異步調(diào)制時(shí)諧波的頻率一般不再是基波的整數(shù)倍，這種非基

波整數(shù)倍頻的諧波被稱為次諧波。如果載波比較高，次諧波的頻率也較高，次諧波的影響可

以不用單獨(dú)考慮。但在載波比很低的應(yīng)用場合，由于載波頻率離基波頻率很近，所以載波頻

率處的邊頻帶諧波將會(huì)延伸到很低的頻段，有可能產(chǎn)生低于基波頻率甚至接近零赫茲的次諧

波。這種低頻次諧波很難濾除，而且對(duì)裝置運(yùn)行非常不利。所以低載波比的應(yīng)用場合必須使

用同步調(diào)制，而且最好令載波比是奇數(shù)，因?yàn)槠鏀?shù)載波比可以保證最低次諧波至少是三倍基

波頻率。

9.單級(jí)倍頻SPWM中，如果僅用一個(gè)三角載波燈,兩個(gè)橋臂分別使用反相的正弦參考波匕

和-匕，是否可以獲得圖4.11所示的相同調(diào)制效果？如果可以，應(yīng)該如何控制開關(guān)管的驅(qū)

動(dòng)脈沖？

答：在單級(jí)倍頻SPWM中，如果僅用個(gè)三角載波匕，兩個(gè)橋臂分別使用反相的正弦參

考波斗和-匕，可以獲得圖4.11所示的相同調(diào)制效果。開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖按照下圖產(chǎn)生。

10.推導(dǎo)單極性規(guī)則采樣調(diào)制時(shí)的占空比計(jì)算公式。

答：如下圖所示，為單極性倍頻不對(duì)稱規(guī)則采樣時(shí)的過程圖，匕與-匕是調(diào)制波，匕是

周期為7；幅值為±《m的三角波。在采樣周期的起始時(shí)刻《取樣調(diào)制波的大小匕也）與

-匕&），并以匕&）與-匕6）分別為高作水平線，該水平線和載波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)脈沖的

前沿時(shí)刻《與。。在采樣周期的中點(diǎn)時(shí)刻芍取樣調(diào)制波的大小匕（’2）與一匕。2），并以匕?2）

與-匕?2）為高作水平線，該水平線和載波的交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)脈沖的后沿時(shí)刻人與4。由圖可

知：（=4x/魚,q=,相應(yīng)的占空比為：。=工=幽2,

2%2%TJ2vcm

￡/2%

一般情況下，所以每個(gè)采樣周期內(nèi)的脈沖波形相對(duì)于采樣周期中點(diǎn)時(shí)刻與是

不對(duì)稱的，故稱之為不對(duì)稱規(guī)則采樣。有時(shí)候在一個(gè)采樣周期內(nèi)僅在《或芍時(shí)刻進(jìn)行一次采

樣,該采樣值既用于計(jì)算7；也用于計(jì)算7；，這時(shí)的脈沖波形顯然對(duì)于采樣周期的中點(diǎn)時(shí)刻a

對(duì)稱，故稱為對(duì)稱規(guī)則采樣。

11.試說明三相電壓型逆變器SPWM輸出電壓閉環(huán)控制的基本原理。

答：引入了逆變器輸出電壓的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)如下圖所示，匕*為輸出基波電壓

有效值的指令值，匕為輸出基波電壓有效值的實(shí)測反饋值。電壓偏差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器作輸出

調(diào)制電壓波的幅值Vm。Vm與調(diào)制波的頻率/共同產(chǎn)生三相調(diào)制波正弦電壓

囁⑺、%（/）、匕⑴，它們與雙極性三角載波電壓匕⑷相比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào),控制各個(gè)

全控型開關(guān)器件的通斷，從而控制逆變器輸出的三相交流電壓。

當(dāng)匕〈匕*時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器廢輸出的曦增大，V值增大，使輸出電壓各脈波加寬，輸

出電壓匕增大到給定值匕*：反之當(dāng)匕＞匕*時(shí)，囁,減小，M值減小，使輸出電壓匕減小到

匕*。如果電壓調(diào)節(jié)器9為77調(diào)節(jié)器（無靜態(tài)誤差），則可使穩(wěn)態(tài)時(shí)保持匕=匕*。因此當(dāng)

電源電壓匕改變或負(fù)載改變而引起輸出電壓偏離給定值時(shí)，通過電壓閉環(huán)控制可時(shí)輸出電

壓匕跟蹤并保持為給定值匕二

參

考