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《电力电子技术》习题答案(第四版_ 1.电力电子技术的基本原理是什么？答：电力电子技术是指通过电子器件将
电能进行控制和转换的技术。
其基本原理是利用半导体器件的导通和截止特性，通过控制电流和电压的方向和大小，实现对电能的调节和转换。
2.什么是电力电子器件？答：电力电子器件是用于电力电子技术中的半导体
器件，常见的有晶闸管、二极管、MOSFET、IGBT等。
这些器件具有导通和截止的特性，可以实现对电能的控制和转换。
3.请简述晶闸管的工作原理。
答：晶闸管是一种双向可控的半导体开关器
件。
其工作原理是通过控制晶闸管的控制极，将其导通或截止。
当控制极施加一个触发脉冲时，晶闸管的阳极和阴极之间的电流将开始流动，晶闸管处于导通状态；当没有触发脉冲时，晶闸管处于截止状态。
4.什么是PWM调制技术？答：PWM调制技术是一种通过改变脉冲宽度的方式
来实现对电能的调节。
通过改变脉冲的宽度，可以改变电平的平均值，从而实现对电能的调节。
PWM调制技术广泛应用于电力电子领域，如变频调速、电力供应等。
5.请简述逆变器的工作原理。
答：逆变器是一种将直流电能转换为交流电能
的电力电子设备。
其工作原理是通过控制器控制晶闸管等开关器件的导通和截止，将直流电源的电压和电流转换为交流电压和电流。
逆变器广泛应用于太阳能发电、电动汽车等领域。
电力电子技术课程设计指引书一、课程设计总体目的《电力电子技术》课程是一门专业技术基本课，电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后一种实践教学环节。
其目是训练学生综合运用学过变流电路原理基本知识，独立完毕查找资料、选取方案、设计电路、撰写报告能力，使学生进一步加深对变流电路基本理论理解和基本技能运用，为此后学习和工作打下坚实基本。
《电力电子技术》课程设计是配合变流电路理论教学，为自动化专业开设专业基本技术技能设计，课程设计对自动化专业学生是一种非常重要实践教学环节。
通过设计可以使学生巩固、加深对变流电路基本理论理解，提高学生运用电路基本理论分析和解决实际问题能力，培养学生创新精神和创新能力。
二、合用专业、答疑地点及时间合用专业：自动化。
答疑地点：01517教室答疑时间：二本：1月4、5、7日8-12时三本：1月4、5、7日13-17时三、先修课程电路、电子技术、电机拖动四、课程设计学时分派课程设计时间为1 周：调研，查资料1 天。
总体方案设计 1 天。
单元电路设计 3 天（画原理图，参数计算）。
撰写设计阐明书及验收 1 天。
五、课程设计总体规定⑴熟悉整流和触发电路基本原理，可以运用所学理论知识分析设计任务。
⑵掌握基本电路数据分析、解决；描绘波形并加以判断。
⑶能对的设计电路，画出线路图，分析电路原理。
⑷准时参加课程设计指引，定期报告课程设计进展状况。
⑸广泛收集有关技术资料。
⑹独立思考、刻苦钻研、禁止抄袭。
⑺准时完毕课程设计任务，认真、对的地书写课程设计报告。
⑻培养实事求是、严谨工作态度和认真工作作风。
六、课程设计内容⑴明确设计任务，对所要设计任务进行详细分析，充分理解系统性能、指标内容及规定。
⑵制定设计方案⑶进行详细设计①单元电路设计②参数计算③器件选取④绘制电路原理图⑷撰写课程设计报告（阐明书）：课程设计报告是对设计全过程系统总结，也是培养综合科研素质一种重要环节。
课程设计报告详细规定如下：（1）格式（字体、字号、字形、图号、表号）必要符合模版规定。
第2章 整流电路1. 解：α＝0︒时，在电源电压u 2的正半周期晶闸管导通时，负载电感L 储能，在晶闸管开始导通时刻，负载电流为零。
在电源电压u 2的负半周期，负载电感L 释放能量，晶闸管继续导通。
因此，在电源电压u 2的一个周期里，以下方程均成立：t U ti Lωsin 2d d 2d= 考虑到初始条件：当ωt ＝0时i d ＝0可解方程得：)cos 1(22d t L U i ωω-= ⎰-=πωωωπ202d )(d )cos 1(221t t LU I =LU ω22=22.51(A)u d 与i d 的波形如下图：当α＝60°时，在u 2正半周期60︒~180︒期间晶闸管导通使电感L 储能，电感L 储藏的能量在u 2负半周期180︒~300︒期间释放，因此在u 2一个周期中60︒~300︒期间以下微分方程成立：t U ti L ωsin 2d d 2d= 考虑初始条件：当ωt ＝60︒时i d ＝0可解方程得：)cos 21(22d t L U i ωω-=其平均值为：)(d )cos 21(2213532d t t L U I ωωωπππ-=⎰=L U ω222=11.25(A)此时u d 与i d 的波形如下图：U d ＝0.9 U 2 cos α＝0.9×100×cos30°＝77.97(A)I d ＝(U d －E )/R ＝(77.97－60)/2＝9(A)I 2＝I d ＝9(A)③晶闸管承受的最大反向电压为：2U 2＝1002＝141.4（V ）流过每个晶闸管的电流的有效值为：I VT ＝I d ∕2＝6.36（A ） 故晶闸管的额定电压为：U N ＝(2~3)×141.4＝283~424（V ） 晶闸管的额定电流为：I N ＝(1.5~2)×6.36∕1.57＝6~8（A ）晶闸管额定电压和电流的具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
第5章逆变电路5.l.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阿,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。
5.2.换流方式各有那儿种?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追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。
5.3.什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持点是: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,直流测电惑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。
电力电子技术的定义与发展01020304定义晶闸管时代可控硅时代现代电力电子时代用于高压直流输电、无功补偿、有源滤波等，提高电力系统的稳定性和效率。
用于电动汽车、电动自行车、电梯等电机驱动系统，实现高效、节能的电机控制。
用于太阳能、风能等新能源发电系统，实现能源的高效利用和转换。
用于自动化生产线、机器人等工业设备，实现设备的精确控制和高效运行。
电力系统电机驱动新能源工业自动化数字化与智能化随着计算机技术和人工智能的发展，电力电子技术将实现数字化和智能化，提高系统的自适应能力和智能化水平。
高频化与高效化随着半导体材料和器件的发展，电力电子技术将实现更高频率和更高效率的电能转换。
绿色化与环保化随着环保意识的提高，电力电子技术将更加注重绿色、环保的设计理念，降低能耗和减少对环境的影响。
工作原理特点应用整流电路、续流电路等工作原理通过门极触发导通，无法自行关断特点耐压高、电流大、开关速度快应用直流电机调速、交流调压等工作原理特点应用工作原理特点应用逆变器、斩波器、电机驱动等工作原理特点应用工作原理开关速度快、耐压高、电流大、热稳定性好应用逆变器、斩波器、电机驱动等高端应用领域特点VS整流电路的作用整流电路的分类整流电路的工作原理整流电路的应用整流电路逆变电路逆变电路的作用逆变电路的分类逆变电路的工作原理逆变电路的应用直流-直流变流电路直流-直流变流电路的作用直流-直流变流电路的分类直流-直流变流电路的工作原理直流-直流变流电路的应用交流-交流变流电路交流-交流变流电路的作用交流-交流变流电路的工作原理A B C D交流-交流变流电路的分类交流-交流变流电路的应用电机驱动照明控制加热与焊接030201一般工业应用交通运输应用电动汽车驱动轨道交通牵引航空电源电力系统应用高压直流输电柔性交流输电通过电力电子技术可实现高压直流输电，减少输电损耗和占地面积。
智能电网风能发电通过电力电子技术可实现风能发电系统的变速恒频控制和并网运行。
目录第1章第2章第3章第4章第5章第6章第7章第8章电力电子器件 (1)整流电路 (4)直流斩波电路 (20)交流电力控制电路和交交变频电路 (26)逆变电路 (31)PWM控制技术 (35)软开关技术 (40)组合变流电路 (42)I 2+4 I m sin ⎤td (⎤t ) = 2πm ( 2 + 1 ) H 0.2717 I m+4 I m sin ⎤td (⎤t ) =πm ( 2 + 1 ) H0.5434 I m1第 1章电力电子器件1.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：u AK >0且 u GK >0。
2.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。
3.图 1-43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 I m ，试计算各波形的电流平均值 I d1、I d2、I d3与电流有效值 I 1、I 2、I 3。
0 420 4542 022a)图 1-43 b)晶闸管导电波形c)解：a)I d1= 1 2πI 1I m 2H 0.4767 I mb)1 I 2I d2 = πI 22 I m 2H 0.6741Ic)I d3= 1 2π+02 I m d (⎤t ) = 4 I mI 3 1 2I m多少？这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV) =100A的晶闸管，允许的电流有效值I =157A，由上题计算结果知a) I m1 H I0.4767H 329.35，I d1 H 0.2717 I m1 H 89.48b) I m2 HI0.6741H 232.90, I d2 H 0.5434 I m2 H 126.56c) I m3=2 I = 314, I d3= 14I m3=78.55. 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和普通晶闸管同为PNPN结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2,分别具有共基极电流增益〈1和〈 2，由普通晶闸管的分析可得，〈1 + 〈 2 =1是器件临界导通的条件。
电力电子技术（第4版）电子工业出版社王云亮主编第6章谐振开关电路6.1引言新型的电力电子装置要求体积小、质量小、效率高具有良好的电磁兼容性，而决定装置体积、质量、效率的因素通常取决于滤波电感、电容和变压器的体积及质量。
解决这些问题的主要途径就是提高器件的开关频率。
但是，提高器件的开关频率会增加开关损耗和电磁干扰，开关的转换效率也会下降，而且器件的开关频率也是受限制的。
因此，不能仅仅简单地提高开关频率谐振开关技术是以谐振辅助换流方式来解决开关损耗问题的，提高了器件的开关频率，减小了装置的体积，提高了效率。
谐振开关模式也称软开关模式。
6.2开关模式与谐振变换器分类6.2.1硬开关模式和谐振开关模式电力电子器件在开关过程中同时存在着较高的电压和电流，导致较大的开关损耗；同时由于电压和电流的变化过快，也会使波形出现明显的过冲，产牛开关噪声。
开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降，最终阻碍开关频率的进一步提高。
开关模式下器件的端电压、电流和功率损耗的波形为降低器件的开关损耗，通常加入RCD缓冲电路。
加入缓冲电路后减少了器件的开关损耗。
但实际上，总的损耗并没有降低，只是器件的部分损耗转移到缓冲电路中了。
不同开关模式下在开关过程中器件的电压电流的轨迹曲线谐振开关变换器中的开关器件在零电压或零电流条件下进行状态转变，改善了开关器件在导通和关断过程的工作条件，因此显著地降低了器件的开关损耗，可以提高了器件的开关频率。
图给出了在谐振开关模式下器件的电压电流的轨迹曲线。
谐振开关技术可以使器件的开关损耗降到很小，因而也可以提高电力电子器件的开关频率，提高装置的效率和减少体积。
目前数兆赫的谐振开关电源已经问世，功率密度可达每立方英寸30-50W，效率大于80％。
6.2.2谐振开关变换器的分类根据拓扑结构和谐振开关方法将谐振变换器划分为如下几种变换器模式。
1.负载谐振变换器谐振电路既可采用串联L-C谐振电路，也可采用并联L-C谐振电路。
通过L-C的谐振，使变换器的开关在零电压与/或零电流时通断。
通过控制谐振电路的阻抗控制流向负载的功率，故称之为负载谐振变换器。
2.准谐振开关变换器L-C谐振能够提供给变换器上的电力电子器件合适的开关电压与电流波形，使器件在零电压与／或零电流下通断。
准谐振式变换器主要分为零电流开关(ZCS)准谐振变换器和零电压开关(ZVS)准谐振变换器3.零开关PWM变换器零开关PWM变换器在准谐振变换器上加入一个辅助开关管控制谐振过程，仅在主开关管导通或关断时才驱动辅助开关管，谐振电路工作，使主开关管在零电压导通或零电流关断。
由于可以控制谐振电路的工作时刻，因此变换器可按恒定频率PWM方式改变占空比，改变输出电压。
4.谐振直流环逆变器是一个幅值固定的直在常规的开关型PWM直流-交流逆变器中，逆变器输入电压Ud流电。
在谐振直流环逆变器中，在输入直流电源和逆变器之间加入谐振电路，利用L-C形成振荡，使逆变器输入电压在某限定时间内为零，在谐振使逆变器的输入电压围绕Ud这段时间内控制电力电子器件通断的状态，从而实现了零电压通断。
6.3 准谐振开关变换器6.3.1 零电流开关准谐振变换器零电流开关准谐振Buck 变换器(ZCS-QRC)有L 型和M 型2种，在L 型准谐振变换器中，若开关器件只允许电流单向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“半波模式”，其电路如图(a)所示；若开关器件允许电流双向流通，则零电流开关准谐振变换器工作于“全波模式”，其电路如图(b)所示，在零电流开关准谐振变换器中，谐振电容C r 与二极管VD 并联，而谐振电感L r 与开关管串联。
在T 0时刻以前，开关管VT 处于关断状态，输出滤波电感L 与二极管VD 构成续流通道，流过负载电流I o 。
谐振电感L r 中的电流为0，谐振电容C r 电压也为0。
1.电感充电阶段[T 0，T 1]在t ＝T 0时刻，开关管VT 导通，VT 上的电压迅速下降到零后，谐振电感中的电流开始按直线上升，直到t =T 1。
等值电路如图(c)所示。
2. 谐振阶段[T1，T2]在t＝T1时，谐振电感Lr中的电流iLr＝Io，二极管VD在零电压下关断。
Lr和C r进入谐振状态，L r中的电流i Lr继续增加，谐振电容C r的充电电流是(i Lr-I o)。
当L r电流下降到iLr<I o时，C r放电，放电电流逐渐增大，而i Lr仍逐渐减少。
等值电路如图(d)所示。
3.电容放电阶段[T2，T3]对于半波工作模式，在t＝T2时，iLr＝0，开关管VT自然关断，这时谐振电容Cr通过负载放电，并维持放电电流为Io ，因此Cr上的电压线性下降。
在t＝T3之后，电容电压下降到零。
等值电路如图(e)所示。
4. 续流阶段[T3，T4]在t＝T3时刻，谐振电容Cr上的电压下降到零，续流二极管VD在零电压下导通，负载电流Io通过二极管VD续流。
等值电路如图(f)所示。
L型零电流开关准谐振变换器半波模式的工作波形如图所示。
在ZCS中，要求开关通过一个比负载电流Io 大Ud/Z r的峰值电流。
开关在零电流时自然关断，负载电流Io 不应超过Ud/Z r。
以这里有一个限制，即负载电阻可以低到什么程度的问题。
通过与开关反并联一个二极管，可使输出电压对于负裁变化不再那么敏感。
ZCS QRC也可以应用于Boost变换器，其电路原理图如图所示。
在开关管VT断开电流为零。
在开关管导通时，电流逐渐上升，实现零电流导通；电容状态谐振电感LrC r、电感L r、开关管VT和电源谐振，电感电流i Lr按正弦变化，当i Lr谐振到由零变负时，二极管VD导通，开关管VT断流，具有零电流关断条件去除开关管VT驱动信号，VTr在零电流下关断。
6.3.2 零电压开关准谐振变换器零电压开关准谐振Buck变换器(ZVS-QRC)也有全波模式和半波模式2种电路。
若开关器件只能承受单方向电压，则ZVS-QRC工作于半波模式，其电路如图(a)所示；若开关器件能承受双向电压，则ZVS-QRC工作于全波模式，其电路如图(b)所示。
在ZVS-QRC中，谐振电容C r与开关管并联，谐振电感L r与二极管VD串联。
在T 0时刻以前，开关管VT 处于导通状态，VD 已关断，滤波电感L 与谐振电感L r 流过负载电流I o ，谐振电容C r 电压也为0。
1.电容充电阶段[T 0，T 1]若在t ＝T 0时刻，使开关管VT 断开，以电流I o 向谐振电容C r 充电，因此，C r 上电压按直线规律上升，直到u Cr ＝U d 为止。
等值电路如图(c)所示。
2. 谐振阶段[T1，T2]在t＝T1时刻，VD管导通，这时Lr和Cr进入谐振状态。
对于半波工作模式，在t＝T2时刻,uCr电压被箝位于零。
对于全波工作模式，电容上电压继续朝反向振荡，并在t＝T2时刻反向回零。
在这期间的电感电流iLr下降到零后反向。
等值电路如图(d)所示。
3. 电感充电阶段[T 2，T 3]在t ＝T 2之后，电感电流直线上升，并在t ＝T 3时刻达到I o 。
通常，对于半波工作模式，开关管在T 2之后和电感电流i Lr 变正之前这段期间被激励导通，否则将损失零电压关断条件。
对于全波工作模式，开关管VT 可在u Cr 电压为负期间加上激励信号。
等值电路如图(e)所示。
4.恒流阶段[T3，T4]在t＝T3时刻，VD管关断，负载电流Io通过开关管VT，并一直维持到t＝T4时刻。
等值电路如图(f)所示。
在ZVS中，要求开关承受一个比Ud高I o Z r的正向电压。
开关在零电压导通时，负载电流Io 必须大于Ud／Zr，所以，如果输出负载电流Io在一个很大的范围内变动，则上述两种情况会在开关上产生一个很大的电压值。
所以，这个方法限于应用在基本上是恒定的负载上。
为克服这一限制，在有关参考文献中介绍了一种零电压通断的多谐振技术。
ZVS QRC也可以应用于Boost变换器，其电路原理图如图所示。
在开关管VT 导通期间电感L储能，和开关管并联的谐振电容电压为零。
在开关管关断时，由于两端电压为零，实现零电压关断；VT关断后，电容Cr 以电感电流iL充电，电容电压上升，当uCr 大于输出电压Uo时，二极管VD导通，电容Cr和电感Lr开始谐振，电容两端电压按正弦变化，当uCr谐振到零时，开关管VT具有零电压导通条件，驱动开关管VT，VT在零电压下导通。
通常，在高通断频率时，ZVS比ZCS更可取，原因在于开关的内部电容。
当开关在零电流但在一定电压下闭合时，内部电容上的电荷耗散在开关中。
当通断频率很高时，这种损耗变得很大。
但是，如果开关是在零电压时闭合就不存在这种损耗。
从上述的电路分析可知，开关准谐振变换器可以有效地降低器件的开关损耗，使得ZCS-QRC的实际工作频率达到1-2MHz，ZVS-QRC的实际工作频率达到10MHz，但器件的电压或电流应力都比较大，这是一个缺点，也是应用中一个重要的限制因素，值得进一步研究。
当谐振电感和谐振电容一定时，为保证开关管实现软开关模式，ZVS开关准谐振变换器关断时间一定，ZCS开关准谐振变换器导通时间一定，因此要实现改变占空比D，就需要改变开关周期，也就是改变开关频率，因此不适于工作在PWM方式，而要工作在DC-DC变换器中的第2种调制方式，即脉冲频率调制方式。
6.4 零开关PWM变换器零开关PWM变换器包括零电压开关PWM变换器(ZVS PWM)与零电流开关PWM变换器(ZCS PWM)。
这类变换器在前面介绍的准谐振变换器基础上加入一个辅助开关管控制谐振元件的谐振过程，仅在主开关管导通或关断时才驱动辅助开关管，谐振电路工作，使主开关管在零电压导通或零电流关断。
由于可以控制谐振电路的工作时刻，因此，变换器可按恒定频率PWM方式改变占空比，改变输出电压。
6.4.1 ZVS PWM 变换器由输入电源U d 、主开关管VT(包括与其反并联的二极管VD r )、续流二极管VD 、滤波电感L 、滤波电容C 、负载电阻R L 、谐振电感L r 、谐振电容C r 和辅助开关管VT 1(包括与其串联的二极管VD 1)构成。
从图可知，ZVS PWM 变换器是在ZVS QRC 电路的谐振电感L r 上并联了一个辅助开关管VT 1和VD 1。
降压ZVS PWM 变换器的原理图。
若t<T0时，主开关管VT导通，给辅助开关管VT1驱动信号。
续流二极管VD截止，iLr=I L=I o，u Cr=0。
在一个开关周期T s中，分5个阶段来分析电路的工作过程。
等效电路如图(b)所示。
1.谐振电容充电阶段[T0,T1]t=T0时，u Cr=0，关断VT，VT零电压关断，电流i Lr立即从VT转移到谐振电容C r，给Cr 充电。
