电力电子技术阶段测试卷

考试时间： 90分钟 总分： 100分 班级： __ 姓名： __ 学号： __

填空题 (每空1分，共20分)

1. 电力电子技术是介于电力学、电子学和控制理论之间的交叉学科。
2. 电力电子变换器按其功能可分为四种基本类型：AC-DC变换器（整流器）、DC-AC变换器（逆变器）、DC-DC变换器（斩波器）和AC-AC变换器（变频器）。
3. 电力二极管的主要工作特性是单向导电性和反向恢复特性。
4. 晶闸管（SCR）的导通条件是：阳极电压正向、门极施加正向触发脉冲，并且阳极电流大于擎住电流。
5. IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是电压驱动型器件，其输入阻抗高，驱动功率小，同时具有MOSFET的高速开关特性和GTR的大电流处理能力。
6. 在DC-DC变换器中，Buck（降压）电路的输出电压低于输入电压，Boost（升压）电路的输出电压高于输入电压。
7. 电压型逆变器的直流侧采用大电容作为储能元件，而电流型逆变器的直流侧则采用大电感。
8. PWM（脉宽调制）技术的核心思想是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的输出波形（如正弦波）。
9. 在有源逆变电路中，实现能量从直流侧流向交流侧的条件是：变流器的直流侧必须出现负极性的直流电压，并且交流侧电源的电动势方向应与晶闸管的导通方向相反。
10. 电力电子装置的主要损耗包括导通损耗、开关损耗和驱动损耗。

选择题 (每题2分，共20分，请将正确答案的序号填入括号内)

1. 下列电力电子器件中，属于全控型器件的是（ C ）。 A. 整流二极管 B. 普通晶闸管 C. IGBT D. GTO

2. 晶闸管一旦导通，门极对它的影响（ A ）。 A. 失去控制作用 B. 仍有控制作用 C. 控制作用增强 D. 关系不确定

3. 在单相桥式全控整流电路中，带电阻性负载，控制角α的最大移相范围是（ A ）。 A. 0° ~ 180° B. 0° ~ 90° C. 0° ~ 120° D. 90° ~ 180°

4. Boost升压电路中，开关管导通时，能量储存在（ B ）中。 A. 负载 B. 电感 C. 电容 D. 电源

   
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5. 下列关于软开关技术的描述，错误的是（ D ）。 A. 可以降低开关损耗 B. 可以减少电磁干扰 C. 可以提高开关频率 D. 会使电路结构变得更简单

6. 在三相桥式全控整流电路中，晶闸管换相是在（ B ）之间进行的。 A. 同一相的上下桥臂 B. 不同相的桥臂 C. 同一桥臂的晶闸管 D. 任意两个晶闸管

7. 对于PWM控制技术，调制比M的定义是（ A ）。 A. 正弦调制波幅值与三角载波幅值之比 B. 三角载波幅值与正弦调制波幅值之比 C. 输出电压基波幅值与输入电压之比 D. 开关频率与输出频率之比

8. 交-交变频器（周波变换器）的输出频率（ B ）输入工频电网的频率。 A. 高于 B. 低于 C. 等于 D. 可以任意设定

   
   （图片来源网络，侵删）

9. 在电力电子系统中，为了抑制开关器件两端因电路中的杂散电感产生的过电压，通常并联一个（ C ）。 A. 电阻 B. 电容 C. RC缓冲电路（Snubber） D. 电感

10. 下列哪种拓扑结构不能实现输出电压的极性反转？（ A ） A. Buck电路 B. Buck-Boost电路 C. Cuk电路 D. 全桥电路

判断题 (每题2分，共10分，正确的打“√”，错误的打“×”)

1. 电力二极管和普通信号二极管在结构和工作原理上完全相同。（ ）
2. GTO（门极可关断晶闸管）可以通过施加负的门极电流来关断。（ ）
3. 在DC-DC变换器中，开关管关断时，续流二极管的作用是为电感电流提供续流回路。（ ）
4. 无源逆变是将直流电变换为交流电供给负载，而有源逆变是将直流电变换为交流电并反馈到交流电网。（ ）
5. 提高电力电子装置的开关频率，可以有效减小其体积和重量，但也会显著增加开关损耗。（ ）

简答题 (共30分)

1. (10分) 简述晶闸管（SCR）的导通和关断条件。

   • 导通条件：
     1. 阳极和阴极之间必须施加正向电压。
     2. 门极和阴极之间必须施加足够功率的正向触发脉冲。
     3. 阳极电流必须大于其擎住电流。
   • 关断条件： 使流过晶闸管的阳极电流减小到低于其维持电流即可，在实际应用中,通常通过外部电路使阳极电压反向或断开来实现。

2. (10分) 比较Buck（降压）电路和Boost（升压）电路的工作原理,并写出它们在连续导通模式下的输出电压表达式。

   • 工作原理比较：
     • Buck电路： 开关管导通时，电源通过开关管和电感向负载供电，同时电感储能；开关管关断时，电感通过续流二极管向负载释放能量，维持负载电流,输出电压平均值低于输入电压。
     • Boost电路： 开关管导通时，电源通过电感和开关管形成回路，电感储能，此时负载由电容供电；开关管关断时，电源和电感的储能共同通过二极管向电容和负载充电,输出电压平均值高于输入电压。
   • 输出电压表达式（CCM模式）：
     • Buck: $Vo = D \cdot V{in}$
     • Boost: $Vo = \frac{V{in}}{1-D}$ （D为占空比，$V_{in}$为输入电压，$V_o$为输出电压）

3. (10分) 什么是PWM控制技术？其主要优点是什么？

   • 定义： PWM（Pulse Width Modulation）即脉宽调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（如正弦波、方波等），在电力电子中，通常用期望的输出波形作为调制波，用高频的等腰三角波或锯齿波作为载波,通过比较二者生成PWM驱动信号。
   • 主要优点：
     1. 谐波抑制： 可以通过调制方式有效抑制低次谐波,使输出波形更接近正弦波。
     2. 动态响应快： 通过调整脉宽可以快速改变输出电压或电流。
     3. 功率因数高： 在整流电路中采用PWM技术可以实现高功率因数校正。
     4. 滤波器体积小： 由于PWM的基波频率高,输出滤波器的体积和重量可以大大减小。

分析与计算题 (共20分)

1. (10分) 如下图所示的单相桥式全控整流电路，带大电感负载（电流连续），$V_{in} = 220\sqrt{2} \sin(\omega t) V$，$R=2\Omega$，$L$值极大，若控制角$\alpha = 60°$,忽略晶闸管管压降。

   • (a) 画出输出电压$V_o$和晶闸管$T1$两端电压$V{T1}$的波形。
   • (b) 计算输出电压平均值$V_o$和输出电流平均值$I_o$。

   (a) 波形分析：

   • 输出电压$V_o$波形： 在一个周期内，$0 \sim \alpha$期间，所有晶闸管均关断，$V_o=0$；在$\alpha \sim \pi$期间，$T_1, T_4$导通，$Vo = V{in}$；在$\pi \sim \pi+\alpha$期间，所有晶闸管均关断，$V_o=0$；在$\pi+\alpha \sim 2\pi$期间，$T_2, T_3$导通，$Vo = -V{in}$。$V_o$为正负半波各被切去$\alpha$角度的脉动直流波形。
   • $V_{T1}$波形： 在$T1$导通期间（$\alpha \sim \pi$），$V{T1}=0$；在$T_2, T3$导通期间（$\pi+\alpha \sim 2\pi$），$V{T1} = -V{in}$；在其余时间（$0 \sim \alpha$和$\pi \sim \pi+\alpha$），$V{T1}$承受正向或反向阻断电压，幅值为$V_{in}$。

   (b) 计算：

   • 输出电压平均值公式：$Vo = \frac{2\sqrt{2}V{in}}{\pi} \cos\alpha$
   • 代入数据：$V_o = \frac{2\sqrt{2} \times 220}{\pi} \cos(60°) = \frac{440\sqrt{2}}{\pi} \times 0.5 = \frac{220\sqrt{2}}{\pi} \approx 99.0 V$
   • 输出电流平均值：$I_o = \frac{V_o}{R} = \frac{99.0}{2} = 49.5 A$

2. (10分) 一个理想的Buck（降压）变换器，输入电压$V_{in} = 48V$，开关频率$f_s = 20kHz$，负载电阻$R=10\Omega$，电感$L=200\mu H$，电容$C=470\mu F$，要求输出电压$V_o = 12V$。

   • (a) 计算所需的占空比D。
   • (b) 判断电路是否工作在连续导通模式，并计算电感电流纹波$\Delta I_L$和输出电压纹波$\Delta V_o$。

   (a) 计算占空比D：

   • 理想Buck电路输出电压公式：$Vo = D \cdot V{in}$
   • $D = \frac{Vo}{V{in}} = \frac{12}{48} = 0.25$

   (b) 判断CCM模式并计算纹波：

   • 判断CCM： 临界电感 $L_c = \frac{(1-D)R}{2f_s} = \frac{(1-0.25) \times 10}{2 \times 20000} = \frac{7.5}{40000} = 187.5 \mu H$
     • 实际电感 $L = 200\mu H > L_c = 187.5\mu H$，因此电路工作在连续导通模式。
   • 计算电感电流纹波$\Delta I_L$：
     • $\Delta IL = \frac{V{in} - V_o}{L \cdot f_s} D = \frac{48 - 12}{200 \times 10^{-6} \times 20000} \times 0.25 = \frac{36}{4} \times 0.25 = 9 \times 0.25 = 2.25 A$
   • 计算输出电压纹波$\Delta V_o$：

     $\Delta V_o = \frac{\Delta I_L}{8 \cdot C \cdot f_s} = \frac{2.25}{8 \times 470 \times 10^{-6} \times 20000} = \frac{2.25}{75.2} \approx 0.03 V = 30 mV$

参考答案与评分标准

填空题 (每空1分)

1. 电力学, 电子学, 控制理论
2. AC-DC（整流器）, DC-AC（逆变器）, DC-DC（斩波器）, AC-AC（变频器）
3. 单向导电性, 反向恢复特性
4. 阳极电压正向, 门极施加正向触发脉冲, 阳极电流大于擎住电流
5. 电压驱动型, 高, 小, MOSFET, GTR
6. Buck（降压）, Boost（升压）
7. 大电容, 大电感
8. 脉冲, 输出波形
9. 负极性的直流电压, 相反
10. 导通损耗, 开关损耗, 驱动损耗

选择题 (每题2分)

1. C 2. A 3. A 4. B 5. D
2. B 7. A 8. B 9. C 10. A

判断题 (每题2分)

× 2. √ 3. √ 4. √ 5. √

简答题 (共30分)

1. 导通条件： (3分) 阳极正向电压、门极正向触发脉冲、阳极电流大于擎住电流。 关断条件： (3分) 阳极电流小于维持电流。(4分)
2. 工作原理比较： (4分，答出核心区别即可) 电压表达式： (3分) Buck: $Vo = D \cdot V{in}$; Boost: $Vo = V{in}/(1-D)$。
3. PWM定义： (3分) 对脉冲宽度进行调制以等效所需波形。 优点： (7分，答出任意4点即可，如谐波抑制、动态响应快、功率因数高、滤波器体积小等)

分析与计算题 (共20分)

1. (a) 波形： (4分，能正确画出$Vo$和$V{T1}$的关键形状和相位关系即可) (b) 计算： (6分)
   • $Vo = \frac{2\sqrt{2}V{in}}{\pi} \cos\alpha = ... \approx 99.0 V$ (3分)
   • $I_o = V_o / R = ... = 49.5 A$ (3分)
2. (a) D = 0.25 (2分) (b)
   • 判断CCM： (3分) 计算出$L_c=187.5\mu H$，与$L=200\mu H$比较,得出CCM结论。
   • $\Delta I_L = 2.25 A$ (2分)
   • $\Delta V_o \approx 30 mV$ (3分)