2012级电力电子技术答案

现在电力电子技术试题一、简单题（20分）1.正弦脉宽调制（SPWM）技术应用于电压型逆变器中，SPWM的什么参数决定输出交流电压幅值、频率和开关管的开关频率？答：SPWM技术中，三角波是载波，正弦波是调制波，由两者比较产生PWM 驱动信号。

SPWM技术中调制波的幅值决定输出交流电压幅值；调制波的周期决定输出交流电压频率；载波频率决定开关管开关频率。

2.简述直流开关稳压电源和直流线性稳压电源的原理和区别答：开关电源通过“斩波”，把直流电压斩成等幅值脉冲电压。

其占空比由控制器调节，交流电压幅值可由变压器调节。

最后整流滤波得到直流电压输出。

线性电源则是将输入直流电经调整管放大后滤波输出。

两种电源的主要区别：䏘换器的调整方式不同。

线性电源通过改变调整管的䆅阻来改变输出电压，调整管工作在放大状态；开关甕源则是通过改变调整管导通时间，调整管工作在开关状态。

开关电源可以降压，也可以升压９线性电源只能降压。

3.为什么要提高器件的开关速度，电路的嗥作频率提高有什么意义？答：提高器件的开关速度可以缩短器件的开通关断时间，加快系统的响应速度，降低器件的伀关损耗。

电路的工作频率提高Ꮿ以使一些器件体积和重量变小，如滤波器和变压器。

同时也增大了功率器件的开关损耗，使整个电路的损耗变大。

4.全控型器件缓冲电路的主要作用是什么？简述RCD缓冲电路中工作原理。

答：全控型器件缓冲电路作用是抑制电力电子器件的内因过电压和过电流以及du/dt、di/dt ，减小器件的开关损耗。

RCD缓冲电路工作原理如图所示：当V开通时缓冲电容Cs先通过Rs向V放电，使电流先上一个台阶，以后因有di/dt抑制电路，电流上升速度减慢。

在V关断时负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。

VDL VRsCsVDsVDiRidi/dt 抑制电路缓冲电路Li5.什么是晶体管的安全工作区？与IGBT 和MOSFET 相比较说明。

答：晶体管的安全工作区就是晶体管能够安全、可靠地进行工作的电压、电流范围，超出此范围的电流和电压工作时，晶体管有可能损坏。

对于IGBT 来说，根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定其正向偏置安全工作区；其反向安全工作区由最大集电极电流、最大集射极电压和最大允许电压上升率确定。

对于MOSFET 而言，它的通态电阻较大，导通损耗也较大，因此它的正向安全工作区受最大漏极允许电流和最大耗散功率限制；其反向安全工作区由最大峰值电流、最小漏极击穿电压确定。

二、（10分）栅极驱动电路有哪三种基本结构，分析说明其工作原理。

答：栅极驱动电路按连接方式分可以分为两种：直接驱动和隔离驱动，其中隔离驱动又分为电隔离与光隔离。

1、直接驱动电路比较简单的直接驱动电路如图所示。

逻辑电路可以是TTL 或CMOS 缓冲器、驱动器或其他逻辑电路。

该电路可以产生足够高的栅压，保证器件充分导通。

不过，这种驱动电路由于其末级是单管输出，受其灌电流的限制，外接电阻R 较大，因此开通速度较慢。

2、电隔离驱动电路脉冲变压器是常见的电隔离元件。

由于脉冲变压器必须保证伏秒平衡，因此驱动脉冲的占空比变化范围不可以太大。

当占空比很小时，驱动电压会很高，这时需要用稳压管VS来嵌位，以避免过高的栅极电压来损坏MOSFET；当驱动脉冲占空比很大时，驱动电压会较低，导致不能达到足够的电压，因此电隔离驱动器常用于占空比约为50%的场合。

-3V+3V占空比1/5占空比4/512V-12V电隔离驱动电路3、光隔离驱动电路光耦隔离是典型的光隔离器件，通过光耦合器将控制信号电路和驱动电路隔离。

光隔离由于体积小，没有驱动脉冲占空比的限制，因此获得广泛运用。

但光耦合器没有变压器响应快，存在寄生电容，抗干扰能力不及变压器。

另外光耦晶体管需要独立电源。

三、（20分）分析比较SCR（普通晶闸管）、双向SCR(双向晶闸管)、GTO(可关断晶闸管)、GTR(电力双极型晶体管)、电力MOSFET、和IGBT等电力电子器件的性能，回答下列问题：1、哪种器件的工作频率较高？答：电力MOSFET2、哪种器件的容量较小？答：双向晶闸管、电力MOSFET3、哪种器件既可由控制信号正向开通，也可由控制信号反向开通？答：双向晶闸管4、哪些是全控器件？答：GTO、GTR、电力MOSFET、IGBT5、哪些是半控器件？答：普通晶闸管、双向晶闸管6、Ron是哪种器件的参数，具有什么意义？通常Ron的数量级是多少？答：电力MOSFET 导通电阻，导通电阻越大电力MOSFET的导通损耗越大。

通常其数量级为mΩ级。

7、哪种器件的输入特性与电力MOSFET的输入特性类似，而且它的输出特性与GTR的输出特性类似？为什么电力MOSFET易于并联？答：IGBT；MOSFET是一种正温度系数器件，并联时可减少较热器件中的电流，并迫使电流更多地流向温度较低的器件，从而避免出现热失控。

8、在器件的通态电流为300A的条件下，为了将它关断，那种器件的控制极所需反向关断电流之峰值的绝对值应超过60A？答：GTO9、如果在静态（电流、电压、控制信号的幅值和电路参数保持不变）条件下，测得一个器件的控制极电压为+10V，主电路的电流为20A，主回路的管压降为200mV。

问：它属于哪种器件？答：电力MOSFET10、如果希望在每个工作周期内，器件导通和关断的持续时间各为约为10ms，那么，哪些全控器件相应的控制信号为高电平的持续时间必须大于5ms？而哪些全控器件相应的控制信号为高电平的持续时间可小于5ms ？答：大于5ms 的全控器件 电力MOSFET 、IGBT 、GTR 小于5ms 的全控器件 GTO三、（20分）半导体的热传导可以将它变换为电路予以解释，这里考虑仅将IGBT 模块安装到散热器上的情形。

此时就热量而言可以得到如图等效电路。

1. 解释等效电路中的各个元器件及结点的物理意义。

2.,, 3.0/Th jc Th cs R R C W+=︒、10diss P W =、100A T C =︒，求使得150d T C <︒的,Th SA R 。

解：1.等效电路图中的各个元器件及结点的物理意义如下：W ：发生损耗 Tj ：芯片结温 Tc ：模块外壳温度 Ta ：周围温度Ts ：散热器表面温度（模块安装部附近的温度） Rth （j-c ）：结-外壳间的热阻Rth （c-s ）：外壳-散热器间的热阻 Rth （s-a ）：散热器-周围间的热阻 2.已知,, 3.0/Th jc Th cs R R C W+=︒、10diss P W =、100A T C =︒、150d T C <︒由热方程式{}Tj=W ()()()Rth j c Rth c s Rth s a Ta⨯-+-+-+得}{,,,ddiss Th jcTh cs Th SA ATP RR R T =⨯+++将数据代入有}{000,10 3.0/100150Th SA W C W C CR ⨯++< 得, 2.0/Th SAC W R <W（W ）jT cT sT aT ()th j c R -()th s a R -()th c s R -四、（20分）三相方波逆变电路带电阻负载时电路如下，c b a R R ==R ，中心点O 为电位参考点，60~0期间设VT1，VT5，VT6导通，控制脉宽为180°。

试画出BO U 、CO U 、BC U ，3I 的波形。

解：分析：（1）03t πω≤≤时，1T 、5T 、6T 导通，2T 、3T4T 截止，此时电路简图如右图所示：因为负载为对称电阻负载，故易得：an u =3d U ，bn u =nb u -=23dU -，cn u =3dU ； 同样，我们可以分析并得出以下结论：（2） 233t ππω≤≤时：1T 、2T 、6T 导通，3T 、4T 、5T 截止，故an u =23d U 、bn u =cn u =3dU -；（3） 23t πωπ≤≤时：1T 、2T 、3T 导通，4T 、5T 、6T 截止，故an u =bn u =3d U 、Ra Rb RcUco UaoUboVT1VT3VT5VT4VT6VT2IcUdIbIaIcPNCd1Cd2Cdi1i3i5abdU cn RR Rcn u =23dU -；（4）43t ππω≤≤时：2T 、3T 、4T 导通，1T 、5T 、6T 截止，故an u =3dU -、bn u =23d U ,cn u =3dU-;（5） 4533t ππω≤≤时：3T 、4T 、5T 导通，1T 、2T 、6T 截止，故an u =23d U -、bn u =cn u =3dU ；（6） 523t πωπ≤≤：4T 、5T 、6T 导通，1T 、2T 、3T 截止，故an u =bn u =3dU -、cn u =23dU 。

输出相电压波形如下图所示：图1 co U 波形coU 023π3ππ43π53π2π023U 013U 013U -023U -tω图3 bc U 波形图4 3I 波形3π23ππ43π53π2πU 0U -tωbcU boU 023π3ππ43π53π2π023U 013U 013U -023U -tω3π23ππ43π53π2π13d U R23d U R 3I tω。