电力电子技术试题(一)

第1章绪论习题

第1部分：填空题

1.电力电子技术是使用________器件对电能进行________的技术。

2. 电能变换的含义是在输入与输出之间，将________、________、________、________、________中的一项以上加以改变。

3. 电力变换的四大类型是：________、________、________、________。

4. 在功率变换电路中，为了尽量提高电能变换的效率，所以器件只能工作在________状态，这样才能降低________。

5. 电力电子器件按照其控制通断的能力可分为三类，即: ________、________、________。

6. 电力电子技术的研究内容包括两大分支：________________ 技术和________技术。

7.半导体变流技术包括用电力电子器件构成_____________电路和对其进行控制的技术，以及构成________装置和________系统的技术。

8.电力电子技术是应用在________领域的电子技术。

9.电力电子技术是一门由________、________、________三个学科交叉形成的新的边缘技术学科。

第2部分：简答题

1. 什么是电力电子技术？

2. 电能变换电路的有什么特点？机械式开关为什么不适于做电能变换电路中的

开关？

3. 电力变换电路包括哪几大类？

第2章电力电子器件概述习题

第1部分：填空题

1. 电力电子器件是直接用于电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

2. 主电路是在电气设备或电力系统中，直接承担的电路。

3.处理信息的电子器件一般工作于放大状态，而电力电子器件一般工作在状态。

4. 电力电子器件组成的系统，一般由、、、四部分组成。

5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：、和

。

6．按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：和

。

7. 电力二极管的主要类型有、、。

8. 普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高,一般为Hz以下的整流电路。其反向恢复时间较长，一般在以上。

9.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在以下。

10.晶闸管的基本工作特性可概括为：承受反向电压时，不论，晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在情况下，晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通，就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流。

11.晶闸管的派生器件有：、、、。

12. 普通晶闸管关断时间，快速晶闸管，高频晶闸管左右。高频晶闸管的不足在于其不易做高。

13.晶闸管可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。

14.逆导晶闸管是将反并联一个制作在同一管芯上的功率集成器件。

15. 光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的，且可避免电磁干扰的影响。常应用在的场合。

16. GTO的开通控制方式与晶闸管相似，但是可以通过在门极使其关断。

17.GTR导通的条件是：且。

18.电力MOSFET导通的条件是：且。开关时间的大致范围是：。

19.IGBT是由和两类器件取长补短结合而成的复合器件。

20.IGBT导通的条件是：且。

21.在如下器件：电力二极管（Power Diode）、晶闸管（SCR）、门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（电力MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）中，

属于不可控器件的是，

属于半控型器件的是，

属于全控型器件的是 ,

在可控的器件中，容量最大的是 ,

工作频率最高的是 ,

属于电压驱动的是 ,

属于电流驱动的是。

第2部分：简答题

1.电力电子器件是如何定义和分类的？同处理信息的电子器件相比，它的特点是什么？

2.画出下面电力电子器件的电气符号和理想伏安特性。

电力二极管，晶闸管，GTO，GTR，P.MOSFET，IGBT

3.从功率等级、开关速度和驱动难易度三个方面比较GTO，GTR，P.MOSFET，IGBT 各自的优缺点，并说明其适用场合。

第3章二极管整流电路习题

第1部分：简答题

1.什么是半波整流器？什么是全波整流器？举例说明其拓扑结构有什么不同？

2.什么是二极管整流器的换流过程？何为换流重叠现象，产生换流重叠现象的原因是什么？

3.换流重叠角的大小与那些因素有关，它们如何影响换流重叠角的大小？负载电流在什么情况下整流器会出现换流重叠现象，换流重叠的出现对整流输出电压有何影响？

4.二极管桥式整流电路在恒压型负载条件下，试说明整流器输出电流的平均值与输入电流畸变率及功率因数的关系，并分析其原因。

5.试分析为什么整流器等设备接入交流电源后会引起交流电源电压的畸变？

6.试分析单相整流器对称地接入三相四线供电系统后，中线电流是否为零？为什么？中线电流不为对供电系统有何影响？

7.从输入电流畸变、功率因数、输出电压脉动幅度及直流输出电压的稳定程度等方面比较单相桥式整流器和三相桥式整流器的区别。

8.二极管桥式整流电路，负载侧并联大电容时，为什么在启动时会产生突入电流，突入电流有何危害，如何抑制突入电流？

第2部分：画图及计算题

1.图3－1为简化的单相整流电路（Ls=0），负载为I d,回答下列问题：

1)试画出流过二极管D1～D4中的电流波形，及二极管D1～D4两端的电压波形（规定正偏方向为电压的正方向）。

2)计算流过二极管D1电流的平均值和有效值。

图3－1

2.图3－1为简化的单相整流电路（Ls=0），负载为I d,回答下列问题：

1)试画出流过输入电流i s的波形。

2)计算输入电流畸变率THD及整流器的功率因数PF。

已知：

2211

()2(sin sin3sin3)

35

s d

i t I t t t

ωωω

π

=+++L

3.单相桥式整流电路如图3－2所示，V s=120V(60Hz), I d=10A,回答下列问题：1）试画出L s=0及L s=1mH时整流输出电压v d的波形。

2）当L s=0时，计算整流输出电压平均值V do。

3）当L s=1mH时计算换流重叠角μ及整流输出电压平均值V d。

图3－2

4.图3－3为简化的三相整流电路（Ls=0），负载为I d,回答下列问题：

1)试画出整流输出电压v d的波形，若线电压有效值V LL=380V，计算整流输出电压平均值V d。

2)试画出a, b, c相电流的波形。

3)计算输入电流畸变率THD及整流器的功率因数PF。

已知：

61111

2(sin sin5sin7sin11sin13)

571113

a d

i I t t t t t

ωωωωωπ

=--++-L

图3－3

5.图3－3为简化的三相整流电路（Ls=0），负载为I d,回答下列问题：

1)试画出D1 ~D6二极管中电流的波形，及D1 ~D6二极管两端的电压波形（规定正偏方向为电压的正方向）。

2)计算流过二极管D1电流的平均值和有效值。

6.当要求设备即可以在115V，又可以在230V交流输入电压下工作时，可采用如图3－4所示倍压整流电路为设备提供直流电源。当输入电压为230V时，电压选

择开关断开；当输入电压为115V时，电压选择开关闭合。试说明在这两种情况下整流输出电压是相同的。

图3－4

7.图3－5为中点式整流电路，变压器为理想变压器。分析该电路工作过程，并画出整流输出电压波形，及变压器原、副边电流波形。与桥式整流电路相比较，说明该电路的优缺点。

图3－5

第3部分：仿真题

1.利用Simulink对例3－1中的单相桥式整流电路进行电路仿真，并回答下列问题：

1）记录电源电压v s及整流输出电压v d和电流i d的波形。

2）记录整流输出平均电压V d及平均电流I d；

3）计算输入电流畸变率THD及功率因数PF

4) 当滤波电容为C d＝200，500，1000，1500uF时，观察并估计各种情况下整流输出电压的脉动幅度(峰－峰值)ΔV dpp,并说明滤波电容的取值对整流输出电压脉动的影响。

提示：可在下图基础上绘制波形图。

第4章相控整流器和逆变器习题

第1部分：简答题

1.什么是变流器的相位控制方式？

2.以晶闸管的门极触发电路为例说明相位控制信号的生成方法。

3.针对晶闸管变流器，给出下列名词的定义：自然换流点，触发延迟角，导通角和移相控制范围。

4.什么是有源逆变？简述有源逆变产生的条件，并比较晶闸管变流器整流工作模式与逆变工作模式的差别。

5.逆变角是如何定义的？简述当晶闸管变流器工作于逆变状态时，应如何限制逆变角才能保证正常换流？简述逆变失败的原因及逆变失败所产生的后果。

6.晶闸管三相桥式变流电路，在设计触发电路时，为什么要采用“双窄脉冲”触发方式？晶闸管单相桥式变流电路，是否也需要采用这种双窄脉冲触发方式，为什么？

7.简述晶闸管变流器对交流侧线电压产生干扰的主要原因，及减少干扰的措施。

8.为什么随着触发角α的增加，晶闸管整流器的功率因数会变降低？

第2部分：画图及计算题

1.图4－1所示单相桥式半控整流电路（半控指将变流器中的一半晶闸管换成二极管，所以只有一半器件是可控的），负载电流恒定，回答下列问题：

1)画出在α＝0o，α＝90o时直流输出电压v d，电源电流i s，S1中电流i s1，D1中电流i D1的波形。

2)推导直流输出电压V d的解析表达式（即V d与相电压有效值V s,触发角α的关系表达式）。

3)说明该电路能否工作于有源逆变状态。试说明单相桥式半控整流电路与全控变流电路（全部器件都是晶闸管）相比，有那些优缺点？

图4－1

2.图4－2为简化的单相晶闸管变流电路（Ls=0），交流电源电压有效值为V s，负载电流为I d,回答下列问题：

1)试画出α＝45o时，输出电压v d，电源电流i s，晶闸管T1上电压v T1（电压的参考方向：阳极正，阴极负），和晶闸管T1中电流i T1的波形。

2)计算晶闸管上承受的反向峰值电压v T_peak,晶闸管中电流的平均值i dT和有效值I T_eff。(用V s和I d来表达)

图4－2

3.图4－3为简化的单相晶闸管变流电路（Ls=0），交流电源电压有效值为V s，负载为电阻R d,回答下列问题：

1)画出在α＝90o时直流输出电压v d，电流i d的波形。

2)推导直流输出电压V d的解析表达式（即V d与相电压有效值V s,触发角α的关系表达式）。并说明该整流电路的移相控制范围（即使V d从最大变化到0的过程中，α的变化范围）。

图4－3

4.单相桥式晶闸管变流电路如图4－4所示，交流电源电压有效值V s=100V，负载中r d=2Ω，L d值极大，反电势E d=60V，假定L s＝0。回答下列问题：

1）计算使晶闸管能触发导通的最小触发角α；

2）当α=30°时，求整流输出平均电压V d、平均电流I d，输入电流有效值I s，输入电流畸变率THD，功率因数PF。

提示：

221

()2[sin()sin3()]

3

s d

i t I t t

ωαωα

π

=-+-L

图4－4

5.单相桥式晶闸管变流电路如图4－5所示。交流侧采用了一个隔离变压器，原边接60Hz交流电源，变压器副边的等效漏抗为L s＝2mH；交流电源（即u1）的额定值为115V，波动范围是额定值的－10％～15%；负载功率P d为1KW，假设负载中L足够大，使电流平直连续，即i d=I d（提示I d＝P d /U d）。如果要求直流平

均电压被控制为100V ，回答下列问题：

1）计算变压器的副边、原边之间的最小变压比。

2）在最大变压比下，当u 1＝115V ＋5％（即向上波动5％）时，计算此时的触

发角α。

L i

图4－5

6.图4－6所示三相半波变流电路（L s =0），负载电流恒定，回答下列问题：

1)画出在α＝0o，α＝60o时直流输出电压v d 和a 相电流i a 波形。

2)推导直流输出电压V d 的解析表达式（即V d 与相电压有效值V s ,触发角α的

关系表达式）。

图4－6

7.图4－7为简化的三相晶闸管变流电路（Ls=0），交流电源线电压有效值为V LL ，负载电流为I d ,回答下列问题：

1)试画出α＝30o时，输出电压v d ，电源电流i s ，晶闸管T 1上电压v T1（电压的

参考方向：阳极正，阴极负），和晶闸管T1中电流i T1的波形。

2)计算晶闸管上承受的反向峰值电压v T_peak,晶闸管中电流的平均值i dT和有效值I T_eff。(用V LL和I d来表达)

3)如果有一个晶闸管T1不能导通，画出此时的整流电压v d波形；如果有晶闸管T1被击穿而短路，其它晶闸管受什么影响？

图4－7

8.图4－8为简化的单相晶闸管变流电路（Ls=0），交流电源线电压有效值为V LL，负载为电阻R d,回答下列问题：

1)画出在α＝90o时直流输出电压v d，电流i d的波形。

2)推导直流输出电压V d的解析表达式（即V d与线电压有效值V LL,触发角α的关系表达式）。并说明该整流电路的移相控制范围（即使V d从最大变化到0的过程中，α的变化范围）。

图4－8

9.三相桥式晶闸管变流电路如图4－9所示，交流电源线电压有效值V LL=380V （50Hz），反电动势阻感负载，E d=200V，r d=1Ω，L d=∞，α =60°。回答下列问题：1）L s=0情况下，计算整流输出平均电压V d、平均电流I d，输入电流有效值I s，输入电流畸变率THD，功率因数PF。

提示：

61

2[sin()sin5())

5

a d

i I t t

ωαωα

π

=---L

2）L s= 1mH情况下，计算整流输出平均电压V d、平均电流I d，及换流重叠角μ。

图4－9

第3部分：仿真题

1.利用Simulink对图4－10中的单相逆变器进行电路仿真，电路参数如下：

v s＝120V（60Hz）,L s＝1.3mH, L d＝20mH, E d＝88V, α＝135o

回答下列问题：

1）记录电源电压v s、电流i s及整流输出电压v d、电流i d的稳态波形。

2）当α继续增加时，寻找负载电流连续和断续临界点处的α值。

图4－10

2.利用例4－3中的参数进行电路仿真，记录交流电源公共耦合点处的a,b相间电压波形v a’b’，并计算该电压的畸变率。

提示：可在下图基础上绘制波形图。

第5章直流-直流开关型变换器习题

第1部分：简答题

1.开关器件的导通占空比是如何定义的？直流－直流开关型变换器有哪几种控制方式，各有何特点？其中哪种控制方式最常用，为什么？

2.画出带LC滤波的BUCK电路结构图。并回答下列问题：实用的BUCK电路中为什么要采用低通滤波器？为什么要接入续流二极管？设计滤波器时，滤波器的转折频率应如何选取，为什么？

3.画出BOOST电路结构图，并简述BOOST电路中二极管和电容的作用。

4.简述稳态电路中电感和电容上电压、电流的特点，并分析其物理意义。

5.为什么BUCK电路可以看作是直流降压变压器，而BOOST电路可以看作是直流升压变压器？这种变换器与真正的变压器相比有何异同之处？

6.关于导通模式，回答下列问题：

1）什么是连续导通模式和断续导通模式？

2）在占空比相同条件下，两种模式下变换器的变压比是否相同，为什么？

3）临界平均电感电流和临界平均输出电流是如何定义的？

4）其它条件不变时，电感量的变化对临界输出电流的大小有何影响，并定

性地分析产生这种影响的原因？

5）其它条件不变时，器件开关频率的变化对临界输出电流的大小有何影响，

并定性地分析产生这种影响的原因？

6）以BUCK 电路为例，说明如何进行合理的设计，以保证在负载变化时，电

路始终工作于电流连续导通模式。

7.关于输出电压的脉动，回答下列问题：

1）输出电压的脉动率是如何定义的？

2）其它条件不变时，电容值的变化对输出电压的脉动率的大小有何影响，

并定性地分析产生这种影响的原因？

3）其它条件不变时，器件开关频率的变化对输出电压的脉动率的大小有何

影响，并定性地分析产生这种影响的原因？

4）以BUCK 电路为例，说明如何进行合理的设计，以保证较小的输出电压的

脉动率。

8.什么是寄生元件效应，该效应对BOOST 电路的变压比有何影响？从控制角度，

应如何减小寄生效应的不良影响。

9.关于DC －DC 可逆变换器（斩波电路），回答下列问题：

1）简述为什么BUCK 电路和BOOST 电路只能工作于输出特性V o -I o 平面中的

一个象限中。

2）什么是可逆斩波电路？简述可逆斩波电路的种类，并结合其电路结构的

特点说明其为什么能实现可逆运行。

3）在桥式DC －DC 变换器中，为什么每个桥臂中的两个器件通常工作在互补

开关方式下？每个桥臂中的两个器件在其开关过程中为什么要设置死区时

间？

4）全桥DC －DC 变换器通常采用哪两种控制方式，它们的控制效果有何差

别？

第2部分：画图及计算题

1.理想的降压变换器。假设输出电压v o 恒定，并通过占空比D 的控制使其稳定

为5V 。当输入电压V d 在10-40V 范围内变化时，输出功率Po ≥5W ，开关频率

f s =50KHz,计算使变换器始终工作于连续导通模式所需要的最小电感L min 。

2. 理想的降压变换器，V o ＝5V ，f s =20KHz,L=1mH ，C=470μF ；当V d ＝12.6V,

I o =200mA 时，计算输出电压脉动的峰－峰值ΔV o 。（计算前应判断，电流是否连

续）

3.在图5-1所示的降压斩波电路中，已知E=200V ，R=10Ω，L 值极大（表示电感

电流连续平直），E M =30V ，T s =50μs,t on =20μs,回答下列问题：

1）计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o ，输入电源的电流平均值I in 。

2）画出如下波形：输出电压u o ，电感上电压v L 和电流i L ，，器件V 上电流

i v 和电压u v ，二极管VD 上电流i d 和电压u VD 。（应定义电压的正方向）

3）计算器件V 上电流平均值I dV 和有效值I V ；二极管VD 上电流平均值I dVD

和有效值I VD 。

E

M

图5－1 4. 理想的升压变换器。假设输出电压v o 恒定，并通过占空比D 的控制使其稳定

为24V 。当输入电压V d 在8-16V 范围内变化时，输出功率P o ≥5W ，开关频率

f s =20KHz, C=470μF 。计算使变换器始终工作于连续导通模式所需要的最小电感

L min 。

5. 理想的升压变换器，V o ＝24V ，f s =20KHz,L=150μH ，C=470μF ；当V d ＝12V,

I o =0.5A 时，计算输出电压脉动的峰－峰值ΔV o 。（计算前应判断，电流是否连续，本题是临界连续状态，脉动电压的计算与连续时不同，应根据电流重新计算）

6. 在图5-2所示的升压斩波电路中，已知E=50V ，L 值和C 值极大，R=20Ω，采

用脉宽调制控制方式，当T s =40μs，t on =25μs 时，回答下列问题：

1）计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o ，输入电源的电流平均值I

in 。

2）画出如下波形：电感上电压u L 和电流i L ，器件V 上电流i v 和电压u v ，二

极管VD 上电流i VD 和电压u VD 。

3）计算电感上的电流平均值I dL ，器件V 上电流平均值I dV 和有效值I V ；二

极管VD 上电流平均值I dVD 和有效值I VD 。

图5－2 7. 如图5-3所示降压斩波电路，设输入电压E ＝200V ，电感L 是100μH, 电容

C 无穷大，输出接10Ω的电阻，电路的工作频率是50KHz ，全控器件导通占空比

为0.5，回答下列问题：

1）计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o 。

2）画出器件V 上电流i v 波形，并计算流过器件V 的峰值电流。

3）为了将器件V的峰值电流减小为输出直流电流I o的110％，应改变什么参数，它的取值是多少？

图5－3

8. 在图5-4所示的升降压斩波电路中，已知E=100V，L值和C值极大，R=10Ω，采用脉宽调制控制方式，当T s=40μs，回答下列问题：

1）要求输出电压V o在50V～150V之间调节时，计算占空比的变化范围。 2）占空比为0.5时，计算输出电压平均值U o，输出电流平均值I o。并画出如下波形：电感上电压v L，开关V上电流i v，及二极管VD上电流i d的波形。

3）在2）题的条件下，计算开关V上电流平均值I dV和有效值I V；二极管VD上电流平均值I dVD和有效值I VD。

图5－4

9.图5－5为CUK斩波电路，也是一种可实现升降压的DC－DC变换器，其特点是：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。试分析其工作原理，并推导变压比的表达式（可假设稳态时电容C上电压恒定）。(较复杂，可删去)

图5－5

10.图5－6为全桥DC －DC 变换器，E ＝200V ，E M =50V ，R ＝5Ω，L 值极大，采

用双极性PWM 控制，器件的开关控制信号通过给定信号与三角波相比较而生成，

如图5－7所示。回答下列问题：

1）在图5－7基础上，画出器件V 1～V 4驱动信号的波形（高电平表示开通，低电平表示关断），及变换器输出电压u o 的波形。

2）假设负载电流I o 为正且平直连续，分别画出当器件V1上施加开通和关断

控制信号时，负载电流的路径。（要注意器件上施加开通控制信号后，它是否能

够导通，取决于负载电流的方向）

3）假设负载电流I o 为负且平直连续，分别画出当器件V1上施加开通和关断

控制信号时，负载电流的路径。

4）?0.5control tri

v V 时，计算V 1器件驱动信号的占空比，输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o ，输入电源的电流平均值I in 。

图5－6

图5－7

第3部分：仿真题

1.对图5－8中的BUCK变换器进行电路仿真，并回答下列问题：

1）记录连续导通模式下电感电流i L及电容电压v c的波形。测量输出电压的平均值，与理论计算值相比较，并分析二者不相等的原因。

2）将负载电阻增加为10Ω时，记录断续导通模式下电感电流i L及电容电压v c的波形。

图5－8