第一章緒論

1.為什么需要對電能形式進行變換？

充分利用各種類型的電源和負載，實現各類電源和負載的更廣泛接入，顯著提高人們利用電能的

水平。

2.電能變換有哪兒種類型？分別有哪些典型應用？

電能變換有四種類型，分別是：直流一直流變換、直流-交流變換、交流-直流變換、交流-交流變

換。直流-直流變換的典型應用包括電腦、手機中的各類直流電源模塊等；直流-交流變換的典型

應用包括光伏發電用的逆變器、電池儲能逆變器等；交流-直流變換的典型應用包括電動汽車直流

充電樁、LED驅動等；交流-交流變換的典型應用包括驅動交流電機的各類變頻器等。

3.一種形式的電能變換為另一種形式的電能，其基本理論方法是什么？

首先要避免輸入電源和輸需電源直連，其次電力電子裝備將輸入電源連續的電能形式（直流/交流）

進行連續或離散化處理，并重構成另一種連續的電能形式（直流/交流），以實現電能變換功能。

4.為什么要發展寬禁帶功率半導體器件？

相比于硅，寬禁帶半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的導熱率、更高的電

子飽和速率及更高的抗輻射能力。寬禁帶半導體器件相比于硅基器件，其導通損耗小、耐壓等級

高，相同規格等級下可以減小電力電子裝備的損耗和體積。

第二章電力電子器件

1.PN結漂移區的厚度和摻雜濃度對器件的哪些特性有影響？

摻雜濃度影響電阻率，摻雜濃度低電阻率高，耐受擊穿電壓高，但正向導通時，PN結的壓降大、

損耗大。摻雜濃度一定時，漂移區的厚度也影響反向耐壓值和電阻率，厚度越大，反向耐壓值越

高，電阻率越大。

2.相比于BJT,MOSFET的優點是什么？缺點是什么？

相比于BJT,MOSFET的優點是驅動功率小、開關速度快；缺點是通態損耗大。

3.為什么晶閘管無法實現高速開關？

晶閘管是電流驅動型器件，開通、關斷過程所需時間長，所以無法實現高速開關。

4.設半導體開關器件的工作頻率是1kHz,導通壓降是0.2V,額定電流是100A,反向耐壓為I200V,

開通時間為0.1RS,關斷時間為0.2.。通過簡化計算方法，計算出該器件在額定工況下工作I秒

所產生的損耗是多少？

已知半導體開關器件的工作頻率是1kHz,可知開關周期為1ms。根據第2.7節介紹的簡化計算方

法和公式(2.17)-(2.19),一個開關周期內的損耗包含以下三部分：

一個開關周期的開通損耗=0.5Voff/onA/l?n=0.5x1200x100x0.1x10^=0.006J

一個開關周期的關斷損耗=0.5WonA/off=0.5x1200x100x0.2x1()-6=co%J

一個開關周期的通態損耗=Kn/on/on=0.2x100x0.9997x1o-3=0.019994工0.02J

在額定工況下，半導體開關器件工作Is開關動作共1000次，總損耗為：

總損耗=1000x(0.006+0.012+0,02)=38J

5.相比于同種材料的低壓器件，高壓器件是否能夠實現快速開通和關斷？并解釋原因。

相比于同種材料的低壓器件，高壓器件無法實現快速開通和關斷。相比于低壓器件，高壓器件的

漂移區厚度大，所以無法實現快速開通和關斷?；蛘呖梢哉J為高壓器件的結電容容值大，影響了

PN結的工作頻率。

第三章DC?DC變換電路

1.已知Buck變換器的輸入電壓為24V,輸出電壓為12V,開關頻率100kHz,濾波電感為1mH,

計算其紋波電流（峰-峰值）。

首先，計算占空比：

V12

￡>=-2-=—=0.5

匕24

由開關頻率和占空比可計算開通時間為：

T_丁D0.5

0n-'W-xT"100000"2

根據（3.9）,紋波電流峰值為：

A/S"=（24-12）x5x1。、30mA

2￡02x10-3

紋波電流峰峰值為：

=2加；-60mA

2.軟開關技術可大致哪兩大類？

軟開關技術可大致分為零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）,分別特指零電壓開通和零電流關斷.

通常，用電感與開關器件串聯來實現零電流開通，用電容與開關器件并聯實現零電壓關斷。

3.描述Boost變換器的基本工作原理。

Boost變換器電路如圖3A所示，圖中全控型功率器件（如MOSFET）Si和功率二極管9實現單刀

雙擲開關。濾波電感及和濾波電容C。濾除高頻脈動分顯，得到直流輸出電壓噸。令全控型開關S

導通對應的狀態為通態，二極管。導通對應的狀態為斷態。與導通時，。承受反壓關斷。與關斷

時，電感電流不能突變，因此通過二極管。向電容和負載充電。極端工況下，Boost變換器輸出

的最低電壓為輸入電壓，所以又稱為升壓變換器，其工作波形見圖3B。

Vi

圖3A.Boost變換器電路

（3）首先，計算開通時間:

T=TD=2=0575=875ps

Xw100000

根據（3.15）,可得紋波電流為3A時的電感值及:

6X8.75X1Q-6

=8.75陽

2AZ,2^3

第四章DC?AC逆變電路

1.當單相半橋逆變器和單相全橋逆變器均采用SPWM調制且運行在線性調制區，它們的調制深度

相同，輸出的交流基波電壓和同，此時，單相半橋逆變器和單相全橋逆變器的直流電壓之間是什

么關系？

由單相半橋逆變器電路圖（見圖4.1）及其工作原理可知，半橋逆變器輸出電壓在土MM2之間切換,

其中加表示直流母線電壓；由單相全橋逆變器電路圖（見圖4.22）及其工作原理可知，全橋逆變

器輸出電壓在±九之間切換［不考慮零電壓輸出）。因此，當調制方式和輸出電壓完全相同時，

單相半橋逆變器直流電壓是單相全橋逆變器直流電壓的2倍。

2.設三相兩電平逆變器和三相多電平逆變器均采用SPWM方式，它們的三角載波頻率相同且輸出

相同的基波電壓，在設計這兩類逆變器的輸出無源濾波器時，需要考慮的主要差異是什么？

在其他工況相同時，三相多電平逆變器比三相兩電平逆變器輸出電壓諧波少，因此前者更容易滿

足并網諧波標準要求。換言之，當三相多電平逆變器和三相兩電平逆變器的無源濾波器均能滿足

并網標準時，三相多電平逆變器的濾波器尺寸更小、截止頻率更高。

3.二極管鉗位型五電平逆變器的直流電壓為Vk，每個開關器件阻斷時所承受的電壓應力是多少？

由圖4.53可知，二極管鉗位型五電平逆變器同一時刻有4個全控型開關導通，因此每個全控型開

關所承受的電壓應力為％/4。同時，每個二極管需要承受一個直流電容電壓，其電壓應力也為

//4。

4.高階無源濾波器相比于一階無源濾波器的優缺點分別是什么？

相比一階無源濾波器，高階無源濾波器的優點包括：1）濾波能力強；2）體積??；3）重量輕；4）

成本低；5）電感壓降小、不易過調制。

相比一階無源濾波器，高階無源濾波器的缺點包括：1）存在諧振，可能導致系統失穩；2）電

路復雜。

5.當直流輸入電壓一定電流源型逆變器可否實現降壓輸出？

根據對偶原理，電流源型逆變器的電流和電壓源型逆變器的電壓具有對偶關系。對于電壓源型逆

變器，已知匕="咻（調制比MW1）,故電壓源型逆變器無法實現升壓輸出：對于電流源型逆

變器，根據對偶關系可得=（調制比MW1）,故電流源型逆變器輸出電流小于或等于輸入

電流。忽略損耗時輸入輸出功率平衡，因此，當輸入電壓一定時，電流源型逆變器無法實現降壓

輸出。

第五章AC-DC電路

1.歸納總結不可控整流電路的主要類型有哪些？

答：不可控整流電路的類型主要有單相半波不可控整流電路、單相橋式不可控整流電路，三相半

波不可控整流電力路和三相橋式不可控整流電路。

2.歸納總結可控整流電路的主要類型有哪些？

答：典型的單相可捽整流電路包括單相半波可捽整流電路、單相橋式全捽整流電路等：典型的二

相可控整流電路有三相半波可控整流電路、三相橋式全控整流電路等。

3.歸納總結各類可控整流電路帶電阻性負載和阻感性負載的移相范圍。

類型分類帶電阻負載帶阻感負載

單相半波可控整流0°-180°0。~180°

單相可控整流電路

單相橋式全控整流0380。0。~90。

三相半波可控整流0350°0。~90。

三相可控整流電路

三相橋式全控整流0°-120°0。~90。

4.單相橋式不可控整流電路，S=220V,負載R=10Q,

(1)畫出詼、話和力的波形;

(2)求整流輸出平均電壓九、電流/八變壓器二次電流有效值￡

答：⑴

⑵=,［應u,sincotd(cot)=—U.=0.9(/,=198(V)

717T

/=-^-=19.8(A)

°R

/,=4=22(A)

R

5.單相橋式全控整流電路，S=100V,負載中R=2Q,L值無窮大，當。=30。時,

(i)畫出〃。、.和j,的波形;

(2)求整流輸出平均電壓“、電流/。、變壓器二次電流有效值￡

(2)輸出平均電壓口、電流小變壓器二次電流有效值/2分別為

5=0純期。=0.9xlOOxcos30°=77.94(V)

/=4=77.94/2=38.97(A〕

°R

/L=/=O38.97(A)

6.三相半波可控整流電路的輸入變壓器二次側電壓有效值S=220V,帶電阻負載，RHQ,當

二0。時,

(1)回出〃0、io、"VTI和Am的波形;

(2)計算U。、/<)、，VT(AV)和7VT?

答：⑴Mo、4?"VT1和1'VTl的波形如下圖所示:

(2)t/0=l.l7￡/2cosa=1.17x220xcosO°=257.4(V)

=4_=257.4/5=51.48(A)

//)』=17.16(A)

J

仁去二0.577/。=29.7(A)

7.三相橋式全控整流電路變壓器二次側電壓有效值S=220V,帶阻感負載，R=5dL值無窮大,

當a=30。時,

(1)畫出〃0、"和"VT1的波形;

(2)計算UQ、和/vT(AV)和/vr。

答:⑴Mo、ib和〃VT1的波形如卜圖:

⑵Uo=2.34t72cosa=445.82(V)

=*=89.16(A)

EAV)=8,=29.72(A)

VT=-^-=0.577/,=51.45(A)

8.變壓器漏感對整流電路有哪些影響？

答：由于變壓器漏感可以起到進線電抗器的作用，使電流變化率減小，有利于限制短路電流，并

限制品閘管導通時的出75,有利于晶閘管的安全導通。但也會帶來一些不利影響，例如：換相過

程中出現兩相晶閘管同時導通的情況，使整流電路的工作模態增多；換相過程出現換相重疊角，

輸出電壓波形出現缺口，導致整流輸出電壓平均值降低；這個缺口造成電網電壓波形畸變，導致

電網電能質量下降；同時，這個缺口還會加劇正向阻斷晶閘管的電壓變化率，可能導致晶閘管誤

導通，通常需要為晶閘管添加吸收電路。

9.整流電路工作于有源逆變狀態的條件是什么？

答：(1)直流側有直流電動勢，其極性必須與晶閘管導通方向一致，其大小必須大于整流輸出電

壓平均值Ug

(2)晶閘管的觸發延遲角。＞泣2,使得九為負值。

10.什么是逆變失敗？導致逆變失敗的原因有哪些？

答：當整流電路工作于有源逆變工作狀態時，如果發生換相失敗，外接的直流電源就會通過晶閘管造

成直流短路，或者使整流電路的輸出電壓和直流電動勢順向串聯，此時由于電路的內阻很小，將造成

電路短路并產生很大的短路電流，進而影響電路正常工作，這種情況稱為逆變失敗，或稱為逆變顛覆。

導致逆變失敗的原因主要有卜.列幾種情況：

(1)交流電源發生故障

在逆變工作狀態時，如果交流電源發生斷電或缺相等情況，由于直流電動勢的存在，晶閘管仍處

于導通狀態，此時由于失去了同直流電動勢極性相反的交流電壓，直流電動勢將通過晶閘管造成電路

短路。

(2)晶閘管發生故障

因各種原因導致晶閘管發生故障，使其在應該關斷時不能關斷，在應該導通是不能導通，均會造

成逆變失敗。

(3)觸發電路發生故障

觸發電路工作不可靠，不能適時、準確地給各晶閘管施加觸發脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時等，

導致晶閘管不能正常換相，使整流電路輸出電壓和直流電動勢順向串聯，造成短路。

(4)換相裕量不足

受變壓器漏感影響晶閘管換相時存在換相重疊角，如果換相裕量時間小于晶閘管關斷時間，也會

導致逆變失敗。

11.單相PWM整流電路整流橋側線電壓〃心有幾個電平？分別是多少？

答：有三個電平，分別是U。、0、-4。

第六章AC-AC電路

1.單相交流調壓電路帶電阻性負載和阻感負載時，晶閘管的移相范圍分別是多少？

答：帶電阻性負載時的移相范圍為0。~180。；帶阻感性負載時的移相范圍為3~180。。

2.單相交流調壓器，電源為工頻220V,負載為電阻-電感串聯連接，其中R=1Q,L=2mHo試求：

（1）觸發延遲角a的變化范圍；（2）負載電流的最大有效值；（3）最大輸出功率及此時電源側的功率因

數。

a)L2^x50x2x103

答：(1)*=arctan——=arctan--------------=32.13

R1

所以32.13<cr<180

⑵a=9時，電流連續，此時負載電流最大

/nm==3--------=22()---------.=186.31(A)

舊+(①L)2J7+(2乃x50x2xl(尸J

(3)最大功率為

匕X=UJmaxcos(p=220x186.3lxcos32.13°=34.7(kW)

輸出功率最大時，對應的功率因數最大為/L=cos32.13=0.85

3.相控式交流調壓電路和斬控式交流調壓電路各有什么優缺點？

相控調壓電路，就是晶閘管在交流調壓電蛤中的相位控制，類似「在可控整流電路中的相位

控制。這種控制方式的優點是電路簡單、使用方便，而且輸出電壓調節較為精確，用電動機降壓

調速時調速精度較高，快速性好，低速時轉速脈動小；其缺點是輸出電壓波形為缺角正弦波形，

存在高次諧波，造成電源污染，易對其他電器設備產生干擾。

相對于相控式交流調壓電路，斬控式交流調壓電路克服了輸出電壓諧波含量高、觸發延遲角

較大時電路功率因數低及電源側電流諧波含量高等缺點。在一定的導通比情況下，斬波頻率越高,

負載的輸出電壓波形越接近正弦波，畸變率越小，電路的功率因數也越高。但隨著斬波頻率升高,

電路中開關管的開關次數將隨之增加，開關損耗也將增大，轉換效率有所降低。

4.交流調壓電路、交流調功電路有什么區別?它們分別適用于什么場合?

交流調功電路和交流調壓電路的電路結構相同，但控制方式不同。交流調功電路不是在每個

交流電源周期都通過觸發延遲角a對輸出電壓波形進行控制，而是采用整周波通斷控制方式，即

晶閘管將電源與負載接通幾個整周波，再斷開兒個整周波，改變接通周波數與斷開周波數的比值

來調節負載所消耗的平均功率。

交流調壓電路可以實現輸出電壓連續調節，而且調節裝置體積小、成本低、效率高，因此廣

泛應用于燈光調節、電風扇調速、交流電機軟啟動、交流側調壓等場合。交流調功電路常用于電

爐溫度等時間常數很大的控制場合。

5.電力電子開關相對于傳統機械式開關的主要優點有哪些？

相對于機械開關，電力電子開關沒有觸點，不會產生電弧，可以快速頻繁地控制通斷，可靠性高，

使用壽命長等優點。

6.單相交-交變頻電路中如何改變輸出交流電壓的大小和頻率?其輸出頻率是否可以任意調節2為什么？

在單相交-交變頻電路中，兩組整流電路的切換頻率由需要輸出的交流電壓頻率決定的。所以，

改變兩組整流電路的切換頻率，就可以改變交流輸出電壓的頻率；而改變整流電路工作時的觸發

延遲角a，就可以改變輸出交流電壓的幅值。

一般來講，構成交-交變頻電路的兩組變流電路的脈波數越多，最高輸出頻率就越高。當交交變

頻電路中采用常用的6脈波三用橋式整流電路時，最高輸出頻率不應高于電網頻率的當電網

頻率為50Hz時，交-交變頻電路輸出的上限頻率為20Hz左右。所以，其輸出頻率不可以任意調節。

當輸出頻率增高時，輸出電壓一周期所包含的電網電壓段數減少，波形畸變嚴重，電壓波形畸變

和由此引起的電流波形畸變以及電動機的轉矩脈動是限制輸出頻率提高的主要因素。

7.三相交?交變頻電路主要有哪幾種接線方式？它們的區別是什么？

三相交-交變頻電路有公共交流外線進線方式和輸出星形聯結方式兩種接線方式。

兩種方式的主要區別在于：公共交流母線進線方式中，因為電源進線端公用，所以三組單相交交

變頻電路輸出端必須隔離。為此，交流電動機三個繞組必須拆開，共引出六根線。

而在輸出星形聯結方式中，因為電動機中性點和變頻器中中性點在一起；電動機只引三根線即可，

但是因其三組單相交交變頻器的輸出聯在一起，其電源進線必須隔離，因此三組單相交交變頻器要分

別用三個變壓器供電。

第七章電力電子系統建模及控制

1.推導Buck變換器占空比到輸出電壓的傳遞函數。

Buck變換器占空比到輸出電壓的傳遞函數如下：

匕

G」。⑸一

GKU

其詳細推導過程參見7.1.2。

2.描述交流電力電子系統的主要控制單元。

交流電力電子系統常用的控制單元包括三相電信號檢測及坐標變換單元、鎖相環和諧振控制器等,

其基本控制結構見圖7A。

圖7A.三相電力電子系統基本控制結構

三相電信號檢測及坐標變換單元通過，曲。4/0坐標變換，可將三相交流電信號轉化為直流信號，為

建模和系統分析奠定基礎。此外，宜流信號相比交流信號更容易控制，PI控制即可實現無靜差跟

蹤。因此，如圖7A所示，三相電流常通過時八附0坐標變換后，進行控制產生調制指令，再經過

dqO-abc反變換生成占空比。

鎖相環的基本功能是檢測電網電壓相位角，以實現他。而0坐標變換和四0-〃兒反變換。鎖相環有

多種多樣的種類和結構，常見的基于同步參考坐標系的鎖相環基本結構如圖7.25所示。鎖相環主

要包括鑒相器、控制器和振蕩器三部分。鑒相器本質是曲c-而坐標變換；控制器通常采用PI控制

器；振蕩器為積分器。

基于內模原理，為實現正弦、余弦信號無靜差跟蹤，控制器需要包含正弦信號的分母。此時，控

制器存在諧振頻率,稱為諧振(Resonance,R)控制器，其傳遞函數參見(7.53)和(7.54)。

3.設Buck變換器的主要系統參數為心=ImH,Co=2pF,尺,=1C,設計電壓PI控制器，使系統

穩岸、GM>3dB且PM>45度。

利用最優二階系統設計比例增益勺，由(7.35)可得

K=-^-\10-3

1^250

p2GA22x2x10/

選取K\=100,系統環路增益為

1

(Y)

S'+---------4----------

GRCOLO

系統環路增益的波特圖見圖7Bc由圖可見，系統的PM為65.8°滿足題目要求。由于相位不穿

越-180°,系統穩定且GM符合要求。

S

P60

)40

江20

垂-200

€

(

-90

101102103104

頻率(Hz)

圖7B.PI控制的Buck變換器系統環路增益波特圖

4.建立Boost變換器的狀態空間平均模型。

以圖3.9所示的Boost變換器為例，詳述狀態空間平均模型的建立過程如下:

(1)基于基爾霍夫定律列寫狀態方程

參考圖3.10(a),利用基爾霍夫定律列寫微分方程組如下：

(7.A)

c坐

根據圖3.10(b),利用基爾霍夫定律列寫微分方程組如下:

山；

了十匕

(7.B)

選電感電流力和電容電壓外為狀態變量，輸入電壓Vin為輸入變量，輸出電壓%為輸出變量,

可得

由，或％=A陽+BM

dvo_v0片=6'］+口%

丁一燕

必___y2=C2x2+D,u2

山一C°CR

01

L.

A,=-1,Bj=B=~k,Cj=C2=[o1],D,=D2=10](7.E)

-12

CR0

C°CR

T=[vin]*yi

Xi=X2=[Z1vo],u1=u=y2=M

（2）狀態空間平均

在一個開關周期,中，Boost變換器在兩個工作模式間切換如下:

x=A]X+BN

modQ,7J)w[0/7；)

y=C/+D/

(7.G)

x=AX+BU

22口］0“八7；）￡［四,。

y=C2X+D,U

注意上式中統一了兩種狀態下的輸入、狀態和輸出變量。此時，Boost變換器的狀態空間模型

為時變的分段線性系統模型。將兩個狀態在一個開關周期內進行平均，得到

X-[JA,+(1-J)A2]X+[＜：/B14-(I-4/)B2]U

y=p/C1+(l-^)C2]x+[JD1+(l-t/)D2]u

上式為時不變、非線性系統模型。狀態空間平均的前提是模型的頻率遠小于開關頻率（約1/10開

關頻率內）。換言之，狀態空間平均模型的第一個假設是系統工作頻率較低，遠小于開關頻率。

（3）工作點處線性化

接卜.來，對平均模型在工作點附近線性化。將每一個變量用其穩態值和擾動量之和替代如卜.:

d(X4Ax)

-=[(Z>4-Ad)A14-(l-D-Ad)A2](X+Ax)+[(Z)4-Ad)B,+(l-D-Ad)B2](U+Au)

,df~(7.1)

Y+Ay=[(D+Ad)C1+(l-/)-Ad)C2](X+Ax)+[(Z)-Ad)D1+(l-D-Ad)D2](U+Au)

式中加粗的大寫字母表示變量穩態值，前綴△表示變量擾動。

(4)求穩態解

公式(7.1)左右兩側同時去掉擾動變量，得到穩態解如下：

[DA+(1-Z))A]X+[￡>B+(I-D)B]U=0

12I2(7.J)

Y=[DCI+(I-79)C2]X+[/?D1+(1-79)D2]U

代入相關矩陣，推導出穩態電壓電流關系如下:

\-D~

0V=——v.

°1-D,n

~L,(7.K)

+o匕=0=>?

1-D-1in:匕

[C,GE]0I

1凡(1-。)

注意大寫字母表示對應變量穩態值。

（5）求小信號狀態空間平均模型

公式（7.J）左右兩側同時減去穩態值，得到小信號模型如下:

—=[(A1-A2)X+(B,-B2)U]Ad+[DA1+(l-D)A2]Ax+[DB1+(l-D)B2]Au

(7.L)

Ay=[(C1-C2)X+(D1-D2)U]Ad+[DC1+(l-/))C;]Ax+[DD1+(l-D)D2]Au

注意這里忽略了擾動量乘積，其為第二個建模假設。經過線性化處理后，上式為線性、時不變狀

態空間平均模型。

第八章多級電能變換電路

1.兩級式光伏逆變器的前級電路的主要作用是什么？

光伏板為直流電源，輸出直流電壓。通過第4章的內容可知，常用的電壓源型DC-AC逆變器為降

壓型變換器，要求直流輸入電壓高于交流輸出電壓峰值才能正常工作。然而，單個光伏板的輸出

電壓低，因此實際應用中光伏板串聯連接組合成高壓直.流電源，但需考慮電源特性不一致所帶來

的“木桶效應”（能量損失、可靠性下降等），所以串聯組成的直流電源需在電壓等級、運行效

率、可靠性、成本等方面做出折中選擇，無法組成任意電壓等級的直流電源。因此，光伏發電等

并網應用中，可采用兩級式逆變器作為電網接口，一般由前級DC-DC和后級DC-AC兩部分電路

級聯組合而成，也記為DC-DC+DC-AC變換器。其中，前級DC-DC用來提高直流電壓，

2.簡述兩級式電池儲能逆變器的控制策略？

電池儲能逆變器的輸入電壓［電池電壓）在運行過程中變化慢，不需要實時控制，僅需管理電池

的剩余電量，并做好電池的高、低壓保護。因此，電池儲能逆變器的控制更加靈活。一方面，

DC-DC變換器可控制直流母線電壓見「此時DC-AC逆變部分僅需控制并網電流或功率。另一方

面，DC-AC逆變部分仍可控制直流母線電壓由DC-